乳腺癌的临床光谱检测

   摘 要 基于激光与生物组织的相互作用原理检测乳腺癌是目前国际研究热点。实验室自行开发研制的近红外乳腺检测仪，采用780 nln的低频调制激光透照乳房，并在计算机控制下做二维扫描，对侧采用光电倍增管接收透射光信号，将其转化为电信号，实现了对乳腺癌疾病的检测。系统对光强信号采样后进行数据处理和成像，得到近红外光乳腺透照图像。该系统在中国医学科学院肿瘤医院进行了临床试验。共采集了5O名患者100多个数据。其中恶性肿瘤患者34例，良性13例，其他3例。近红外诊断结果与患者同期的钼靶检测结果、超声检测结果和病理结果做了对照，正确率达到72．5 ，介于超声(77．5O )和钼靶(71．88 )之间。说明近红外方法和所使用的样机对判断乳腺疾病有可行性，为近红外图像方法提供了新的研究思路。

关键词 乳腺癌；近红外；临床试验；组织光学

引  言

   乳腺癌是乳腺疾病中危害最大的一种，也是女性最常见的恶性肿瘤之一。全世界每年约有120万妇女患乳腺癌，5O万人死于乳腺癌。近年来我国乳腺癌的发病率逐年上升而发

病年龄逐渐降低[1 ]，妇女在40岁就出现了第一个乳腺癌发病高峰，5O岁出现第二个高峰。对3O岁左右的妇女采用钼靶x光摄影进行普查是不恰当的，容易诱发乳腺疾病。

   因为安全和在乳腺癌检测中的巨大潜力，目前用红外检测乳腺癌成为国际研究的热点L3- 。在最近的研究中，Suzu—ki[a~，Pogue[ ，Cubeddu[加 和CerussiE“ 等使用近红外方法检测乳腺的光学参数及这些参数与年龄、BMI指数、组织厚度、月经周期、肿瘤大小和乳房类型等量的关系。Pogue[ ]等证实肿瘤出现在高血红蛋白浓的地方。这些研究者试图从不同方面量化乳腺癌，以提高光学检测方法。研究表明，不同人的乳腺光学参数差别很大D3q5]，即使是同一个乳房，其各个部分的光学性质也是不均匀的[1 。本文着重对患者整

个乳腺图像进行对比，试图以此来判断疾病。该方法得到了临床结果的支持。

    试验采用本实验室自行研制的近红外检测仪 ”  。用两片玻璃板将乳房固定并压扁，使用780 nlTl的激光光源扫描乳房，在对侧用光电倍增管接收透射光，用所得光强信号

成像。通过对5O名患者的临床试验研究，探索了近红外成像的效果和特点。

1 实验部分

1．1 实验装置

   图1示意了整个系统结构。发射电路驱动780 m 的激光二极管(LD)发光，并对光强进行调制；接收电路对光电倍增管(PMT)接收到的信号进行解调、滤波和放大，得到的电信号由采集卡采集到计算机中；控制电路实现探头对乳房待测处的相对运动，包括单片机、步进电机驱动器及外围电路，用来接收计算机串口或单片机发出的驱动命令，并传达

给步进电机。

   为抑制背景噪声，LD出射光被1．6 kHz的斩光器调制后入射到人体组织。这种机械调制的方法，发射端无同频电信号，能避免信号发生端的信号对被测信号的干扰，减小噪

声，增加信噪比。从组织漫射出来的光信号被PMT接收，并转化为电信号。经过3级放大和滤波，得到带有斩光器调制特征的1．6 kHz信号，其幅度信息被采集卡采样进入计算

机，作为成像依据。

1．2 信号处理

   49．86 MHz正弦调制的近红外激光信号经过人体组织散射后，成为漫射光子密度波(diffuse photon density wave，DP肼 )_1  ，其幅值代表了信号能量的大小。漫射光子密

度波描述了大量从高频正弦调制的点光源发出的光子在组织中的随机游走过程中形成的以点光源为中心、振幅随着与点光源距离增加而呈指数衰减的球面波。在组织中，这种高频

的正弦波与1．6 kHz的斩波信号相叠加。接收电路检测到的信号幅度的大小，反映光被组织吸收的情况，间接反映组织内部光学系数的变化。

    计算机采集1．6 kHz的、带有斩光调制特征的信号，并求其幅度大小。系统采样率为8 kHz，对1．6 kHz的正弦信号，每周期采样5点，容易引入误差和噪声干扰。为减少干

扰和噪声引起的误差，每个采样点的幅度信息均从一段采样数据计算得出，一般每个数据段采集4 000个数据(即N一4 000)，从中计算出一个数值，对应该采样点值(幅度)，用

于成像。最终图像由呈2维矩阵分布的离散采样点得到。

   本文研究旨在快速而准确的从4 000个数据(约800个信号周期)中计算出一个离散采样点的幅度数值。基于采样数据量较大，计算时间较长的情况，采用降低采样率的自相关算法。本系统原有的自相关算法，先把4 000点分成两组，对每组数据进行抽样和检查，抛弃其中受干扰的数据周期，对剩余数据进行自相关处理。最后将两组所得结果取均值，作为该点的数值。新方法不进行抽样和信号剔除，仅计算这4 000个数据自相关信号的第二峰值，节省了计算时间。本文进行了仿体实验来验证新的计算方法。对均匀(透过均匀吸收体的信号幅值应该相同，便于统计误差)脂肪乳溶液进行10×1O点的扫描采样，对所得数据在一台主频400 MHz、内存192M的计算机上分别使用两种自相关方法进行计算，

结果(100个采样点信号幅值的平均值)见表1。新方法比原

方法提高速度近3倍，“方差／均值”的比值小1个数量级以

上，稳定性较好。

1．3 实验方法

    用两块平行的玻璃板将受试者乳房压扁至4 em左右。发射探头和接收探头相对、共轴共同运动，其轴垂直于玻璃板平面，运动路径如图2所示。

  临床上常用两个方向压扁。首尾位(CC位)，即两玻璃板分别从近头侧和近足侧相向运动、压迫乳房所得的透射图像；中间外侧斜位(MLO位)，即两板倾斜45。，以便将患者腋下部分也夹入。所有临床病例都进行双侧CC位成像，部分进行了双层MLO位成像。受试患者均为乳腺癌或疑似乳腺癌病例，包括恶性肿瘤患者34例，良性13例，其他3例。

2 结果与讨论

2．1 乳腺疾病在近红外图像中的表现

   图3为良恶性病例的对比。图中各点值为前文提到的信号值，即具有漫射性质的透射光的幅值。伪彩图中，最小值与深红色对应，最大值与深蓝色对应。图中白色为没有组织

的背景区域。图3(a)为病例200304145正常左乳的CC位图像。该患者6O岁。图中乳腺层次分明，由乳头到根部均值逐渐变小，外象限(乳房靠近腋窝一侧，图左)有腺体的浅吸收影。图3(b)为病例200407203患病右乳CC位图像，患者45岁。右乳乳腺导管内乳头状瘤病，局部癌变。钼靶发现：右乳外下象限(外象限的下部)可见一类结节影，边界不清，大小约2O×8(mm)，癌不除外。近红外图像中，右乳外象限(图右)有一明显高吸收影，与周围对比明显。图4示意了近红外图像伪彩显示系统与x线图像色标与所穿透组织性质的关系。近红外光与x线都是电磁波，但是波长范围不同。临床使用的是780帆的近红外光。用于乳腺摄影的软x光波长在0．06n0．075 nln之间，其穿透性较近红外光强。人体组织对两种光的相对吸收强弱如图所示。其中密度小的脂肪组织对二者的吸收都小，乳腺中常见的肌肉、结缔组织、腺体吸收较强。二者的区别体现在对钙化灶的识别和对血液的敏感上。x光可以检测出微小的钙化灶，近红外光可以检查出血供增加的区域。对乳腺病灶的不同性质敏感，使得近红外方法有可能作为钼靶x摄影的补充方法。

Fig．4  Contrast of NIR image and X-mammogmph

   图5给出了一位患者双乳CC位的近红外图像与x线图像。患者为54岁妇女，已经绝经，乳腺组织稀疏。左乳内上象限乳腺浸润性导管癌Ⅲ级，肿瘤大小为23 mmX 22 mmX2O ain。X线检查结果：左乳内上象限见约2．5 cmX 2．2 ClTI肿物，其外侧见少许可疑小钙化，癌可能大。右乳房未见癌变。

  图5(a)显示患者左乳的图像。在近红外伪彩图像中，可见左乳内上象限一高吸收阴影，大小为25 mm~23 inln。在x线灰度图像上，与之相应位置，有一白色高密度影，显示了病灶区域。图5(b)显示患者右乳的图像，与x线图像显示结果相符。未见癌变。图中以cm为单位的数字表示接受两种检测时乳房夹平后的厚度。存在病灶的左乳比较敏感，不能用较大压力来压迫，造成左右乳厚度不同。

 Breast inlage of ease 200301225，the one with white

background is NIR image，whik the ore with black

a ckground is the corresponding X-nmrmnograph

   从图5看出近红外图像在皮、脂、肌之间的清晰分界，这是x光所不及的。由于x光片是后来扫描得到，其能看到钙化点的优势在图中体现不出来。这也反应了相对于数字图像，普通X光片不利于进行数字化存档的问题。

2．2 对比及讨论

   患者术前的近红外图像、钼靶x光和超声结果分别与手术后的病理结果进行了对比。近红外图像的判断根据图像的整体特征更接近哪种典型病例来归类，以病理结果为标准进行比较。结果，近红外图像的正确率为72．50 ，介于超声(77．50 )和钼靶(71．88 )之间。说明近红外方法和所使用的样机对判断乳腺疾病是可行的，而且较可靠。

3 结 论

   本文通过临床试验，探讨了乳腺疾病在近红外图像中的表现规律，提出了靠血红蛋白对近红外光特异性吸收来判断肿瘤增生部位和良恶性的近红外检测方法。