CN104159500B - 用于确定组织的特性的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定组织的特性，尤其是用于确定宫颈组织的癌症的装置。光提供单元(7、8、9)提供用于照射所述组织(6)的光，并且光探测单元(10)探测来自所述组织的光，其中，生成指示已由上皮区域(R1)影响的光(11)的第一信号、指示已由边界区域(R2)影响的光(12)的第二信号以及指示已由基质区域(R3)影响的光(13)的第三信号，并且其中，基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号，确定组织特性。这允许基于在三个不同区域中测得的光学特性的组合来确定组织特性，从而得到对所述组织特性的改进的确定，尤其是得到改进的癌症检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定组织的特性的装置、方法和计算机程序。本发明还涉及一种用于确定组织的特性的光学测量设备和组织特性确定设备。
背景技术
US 7202947 B2公开了一种荧光仪器，其包括用于产生光的光源和用于将光传送至所要检查的对象的表面使得可以将光以多个入射角施加到对象表面的照射器件。该荧光仪器还包括用于收集由荧光在对象内部以及表面之下产生的、从对象表面发射的光的收集器件，以及用于测量所收集的光的探测器。使用用于改变入射角的器件能够实现在表面以下的不同深度处做出的对象的一系列荧光测量，其中，使用荧光测量结果来确定组织特性。
只有在组织发出的荧光具有充分大的量的情况下才能执行这一组织特性的确定，而且无法得到非常准确的结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于确定组织的特性的装置、方法和计算机程序，其中，能够以提高的准确度确定组织的特性。本发明的另一目的在于提供能够用于更加准确地确定组织的特性的光学测量设备和组织特性确定设备。
在本发明的第一方面中，提供了一种用于确定组织的特性的装置，其中，所述组织包括上皮和基质，并且其中，所述装置包括：
-光学测量设备，其具有用于提供用于对所述组织进行照射的光的光提供单元和用于探测来自所述组织的光的光探测单元，其中，所述光提供单元和所述光探测单元适于生成指示已由所述组织的包括所述上皮的上皮区域影响的光的第一信号、指示已由所述组织的包括所述上皮与所述基质之间的边界的边界区域影响的光的第二信号以及指示已由所述组织的包括所述基质的基质区域影响的光的第三信号，以及
-组织特性确定设备，其用于基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号来确定组织特性，其中，所述组织特性为以下中的至少一项：健康组织、宫颈上皮内瘤变和癌症。
因而，所述组织特性确定设备能够适于区分健康组织、CIN和癌症，尤其是扩散性癌症。此外，其能够适于区分不同的癌症阶段以及CIN的不同等级，例如，区分CIN1、CIN2和CIN3。所述组织特性确定设备还能够适于区分鳞状健康组织和柱状健康组织，即外宫颈和宫颈内膜。此外，所述组织特性确定设备能够适于识别非癌变病理性组织，尤其是诸如炎症或糜烂的不同种非癌变病理性组织。由于所述第一信号指示已由所述上皮区域影响的光，所述第二信号指示已由所述上皮区域与所述基质区域之间的所述边界区域影响的光，所述第三信号指示已由所述基质区域影响的光，并且所述组织特性是基于这些第一信号、第二信号和第三信号来确定的，因而能够以组合的方式使用在三个不同的区域中测得的光学特性来确定所述组织特性，这得到改进的对所述组织特性的确定。
用于生成所述第一信号的已由所述上皮区域影响的光在被探测之前优选仅穿越了所述组织的所述上皮。用于生成所述第三信号的已由所述基质区域影响的光在被所述光探测单元探测之前优选主要穿越所述组织的所述基质，并且为了从所述组织的外部抵达所述基质而较少地穿越了所述组织的所述上皮。用于生成所述第二信号的已由所述边界区域影响的光在被探测之前优选穿越了所述组织的基本上位于已经被用于生成所述第一信号和所述第三信号的光穿越了的区域之间的区域。
由所述光探测单元从所述组织探测的光优选是被提供为对所述组织进行照射的光，所述探测是在所述光已由所述组织影响之后发生的，例如，在所述光已由所述组织反射、吸收和/或散射之后。
所述组织优选是宫颈组织。
所述光提供单元和所述光探测单元优选适于使得所生成的第一信号指示具有小于0.5mm的在所述组织中的平均穿透深度的光，所生成的第二信号指示具有大于0.2mm且小于0.75mm的在所述组织中的平均穿透深度的光，所生成的第三信号指示具有大于0.5mm的在所述组织中的平均穿透深度的光。如果所述第一信号指示具有小于0.5mm的平均穿透深度的光，如果所述第二信号指示具有大于0.2mm且小于0.75mm的平均穿透深度的光，并且如果所生成的第三信号指示具有大于0.5mm的平均穿透深度的光，那么所述第一信号指示所述上皮区域，所述第二信号指示所述边界区域，并且所述第三信号指示所述基质区域，其采取的方式进一步提高了确定所述组织特性的准确度，尤其是在所述组织是宫颈组织的情况下。
由所述光探测单元探测的用于生成特定信号的光可能已经穿透所述组织直到所述组织中的不同穿透深度。例如，光的不同部分，例如，不同光束或者不同光子可能已经穿透所述组织直到不同的穿透深度。优选将所述平均穿透深度定义为是这些不同穿透深度的平均值，其中，所述平均值可以是中值或者加权平均值，其中，利用各自的光强或者各自的光子数量对不同穿透深度中的每者加权。
所述光学测量设备还优选适于使得所生成的信号是谱，其中，所述组织特性确定设备适于基于作为第一信号的第一谱、作为第二信号的第二谱和作为第三信号的第三谱来确定所述组织特性。所述光提供单元和所述光探测单元优选适于执行漫反射谱测定法，从而生成作为第一信号、第二信号和第三信号的三个漫反射谱，其中，通过白光照射所述组织。然而，也能够测量其他谱，例如，荧光谱或拉曼谱。如果组织特性的确定基于指示所述上皮区域、所述边界区域和所述基质区域的作为谱的第一信号、第二信号和第三信号，那么能够进一步提高确定组织特性的准确度。
所述光学测量设备还优选适于a)生成指示已由所述上皮区域影响的光的若干第一信号，其中，不同的第一信号指示处于不同波长范围内的光，b)生成指示已由所述边界区域影响的光的若干第二信号，其中，不同的第二信号指示处于不同波长范围内的光，以及c)生成指示所述已由基质区域影响的光的若干第三信号，其中，不同的第三信号指示处于不同波长范围内的光，其中，所述组织特性确定设备适于基于所述若干第一信号、所述若干第二信号和所述若干第三信号来确定所述组织特性。例如，能够在第一波长范围中确定第一信号、第二信号和第三信号的第一组，并且能够在第二波长范围中确定第一信号、第二信号和第三信号的第二组。所述第一波长范围例如是可见光波长范围，并且所述第二波长范围例如是红外线波长范围。因而，在实施例中，能够在可见光波长范围内基于已由所述组织影响的，尤其是被所述组织散射回来的光而生成第一信号、第二信号和第三信号的第一组，并且能够在红外线谱区中基于已由所述组织影响的，尤其是被所述组织散射回来的光而生成第一信号、第二信号和第三信号的第二组。如果所述组织特性确定设备不仅基于第一信号、第二信号和第三信号的单个组，而且基于第一信号、第二信号和第三信号的对应于不同波长的两组或更多组来确定所述组织特性，那么能够进一步提高确定所述组织特性的准确度。
在优选实施例中，所述光提供单元适于提供一个或若干照射位置，一个或若干光束从所述一个或若干照射位置沿一个或若干照射方向发射，其中，所述光探测单元适于提供一个或若干探测位置，在所述一个或若干探测位置处对光进行探测，其中，所述光提供单元和所述光探测单元适于提供照射位置和探测位置的三种组合，并根据从第一组合的照射位置发射并由第一组合的探测位置探测的光而生成第一信号，根据从第二组合的照射位置发射并由第二组合的探测位置探测的光而生成第二信号，并且根据从第三组合的照射位置发射并由第三组合的探测位置探测的光而生成第三信号。具体而言，所述光学测量设备能够包括具有外部平面毗邻表面的测量头，所述外部平面毗邻表面用于与所述组织毗邻，同时利用光照射所述组织并探测来自所述组织的光，其中，所述照射方向和所述探测方向垂直于所述毗邻表面，其中，所述第一组合的照射位置与探测位置之间的距离小于0.6mm，所述第二组合的照射位置与探测位置之间的距离处于0.6mm到1.2mm之间，并且所述第三组合的照射位置与探测位置之间的距离处于1.2mm到3.0mm之间。在优选实施例中，所述第一组合的照射位置与探测位置之间的距离为0.3mm，所述第二组合的照射位置与探测位置之间的距离为1.0mm，并且所述第三组合的照射位置与探测位置之间的距离为1.5mm。这允许以相对简单的方式，仅通过对一个或若干照射位置以及一个或若干探测位置进行定位使得各自的光穿越期望的各自区域，而对所述上皮区域、所述边界区域和所述基质区域进行光学感测。
所述光提供单元优选包括具有用于生成光的一个或若干光源的光发射单元以及用于将光从所述光发射单元引导至一个或若干照射位置的一条或若干条源光纤。所述光探测单元优选包括一个或若干光探测器(尤其是谱仪)以及用于将从所述组织的一个或若干探测位置处接收的光引导至所述一个或若干光探测器的一条或若干条探测光纤。
在实施例中，所述光提供单元适于提供用于在第一照射位置沿第一照射方向照射所述组织的第一光束、用于在第二照射位置沿第二照射方向照射所述组织的第二光束以及用于在第三照射位置沿第三照射方向照射所述组织的第三光束，其中，所述光探测单元适于在第一探测位置沿第一探测方向探测来自所述组织的光，其中，照射位置与第一探测位置的距离以及照射方向和探测方向适于使得在第一探测位置探测的第一光束的部分穿越所述上皮区域以生成所述第一信号，使得在第一探测位置探测的第二光束的部分穿越所述边界区域以生成所述第二信号，并且使得在第一探测位置探测的第三光束的部分穿越所述基质区域以生成所述第三信号。此外，所述光探测单元能够适于在第二探测位置沿第二探测方向探测来自所述组织的光，其中，照射位置与第二探测位置的距离以及照射方向和探测方向适于使得在第二探测位置探测的第一光束的部分穿越所述上皮区域以生成另一第一信号，使得在第二探测位置探测的第二光束的部分穿越所述边界区域以生成另一第二信号，并且使得在第二探测位置探测的第三光束的部分穿越所述基质区域以生成另一第三信号，其中，所述光探测单元适于在第一探测位置探测处于第一波长范围内的光，并且在第二探测位置探测处于第二波长范围内的光，以便针对两个不同的波长范围生成第一信号、第二信号和第三信号的两组，其中，所述组织特性确定设备适于基于两组信号来确定所述组织的特性。所述第一波长范围优选处于可见光波长范围内，并且所述第二波长范围优选处于红外线波长范围内。
所述组织特性确定设备还优选适于执行特征提取技术、与分析模型的拟合和多变量分析技术中的至少之一，以确定所述组织特性。此外，所述组织特性确定设备能够适于确定所述上皮区域、所述边界区域和所述基质区域中的至少之一中的血液分数、血液饱和度、水含量、脂肪含量、胡萝卜素浓度、弹性蛋白浓度、胶原蛋白浓度、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸浓度(NADH)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)浓度、卟啉浓度、维生素浓度中的至少之一作为中间特性，并根据所确定的中间特性来确定所述组织特性。例如，能够将特征提取技术、与分析模型的拟合和多变量分析技术中的至少之一应用于所述第一信号以确定所述上皮区域的中间特性，应用于所述第二信号以确定所述边界区域的中间特性，并且应用于所述第三信号以确定所述第三信号的中间特性，其中，能够使用针对不同区域确定的中间特性来确定最终的组织特性。为了确定所述上皮区域的中间特性，能够使用对应于不同波长范围的若干第一信号。同样为了分别确定所述边界区域的中间特性以及所述基质区域的中间特性，能够分别使用对应于不同波长范围的若干第二信号和若干第三信号。
例如，能够确定所述上皮区域、所述边界区域和所述基质区域中的血液分数作为中间特性。如果所述边界区域中的血液分数提高，但是所述基质区域或所述上皮区域中则并不提高或者程度太低，那么所述组织特性确定设备能够适于确定CIN1病灶。此外，如果血液分数在所有的三个区域内都提高，那么所述组织特性确定设备能够适于确定扩散性癌症，尤其是扩散基质。为了确定血液分数是提高还是降低，能够将血液分数与预定义阈值进行比较，所述预定义阈值优选定义具有能够被认为是正常的血液分数的区域。能够通过训练血液分数测量而确定这些阈值，所述测量是在已知健康的组织上执行的，并因此提供正常的血液分数值，并且所述测量还是在已知非健康的组织上执行的，并因而提供提高或者降低的血液分数值。
在优选实施例中，所述组织特性确定设备还适于将所述信号与预定义预期进行比较，并在所述信号不对应于所述预定义预期的情况下生成误差信号。例如，所述组织特性确定设备能够适于将所述信号，即光学测量结果与预期直接比较，或者所述特性确定单元能够适于对所述信号进行处理，并且将处理结果与预期进行比较。能够通过被执行以确定组织特性的处理步骤对所述处理进行定义。因而，如果所述测量结果或分析结果得出了错误的或者包含性结果，那么能够生成误差信号。这一误差信号能够是能够被输出的声学和/或光学信号，以便向用户指示误差。所述误差信号还能够指示误差的种类，其中，诸如显示器的输出单元能够适于基于所述误差信号来向用户显示误差的种类。此外，如果已经生成了误差信号，那么所述装置能够适于重复测量和分析，其中，所述误差信号可以不必被输出给用户，而是可以作为触发测量和分析的重复的内部信号。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于与光学测量设备协同工作以确定组织特性的组织特性确定设备，其中，所述组织包括上皮和基质，并且所述光学测量设备包括用于提供用于对所述组织进行照射的光的光提供单元，以及用于探测来自所述组织的光的光探测单元，其中，所述光提供单元和所述光探测单元适于生成指示所述组织的已由包括所述上皮的上皮区域影响的光的第一信号、指示所述组织的已由包括所述上皮与所述基质之间的边界的边界区域影响的光的第二信号以及指示所述组织的已由包括所述基质的基质区域影响的光的第三信号，其中，所述组织特性确定设备适于基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号来确定组织特性，其中，所述组织特性为以下中的至少一项：健康组织、宫颈上皮内瘤变和癌症。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于确定组织的特性的方法，其中，所述组织包括上皮和基质，并且其中，所述方法包括：
-通过光学测量设备的光提供单元提供用于对所述组织进行照射的光，并且通过所述光学测量设备的光探测单元探测来自所述组织的光，其中，所述光提供单元和所述光探测单元生成指示所述组织的已由包括所述上皮的上皮区域影响的光的第一信号、指示所述组织的已由包括所述上皮与所述基质之间的边界的边界区域影响的光的第二信号以及指示所述组织的已由包括所述基质的基质区域影响的光的第三信号；
-通过组织特性确定设备基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号来确定组织特性，其中，所述组织特性为以下中的至少一项：健康组织、宫颈上皮内瘤变和癌症。
在本发明的另一方面中，提出了一种用于确定组织的特性的计算机程序，其中，所述组织包括上皮和基质，并且其中，所述计算机程序包括程序代码模块，当所述计算机程序在控制根据权利要求2所述的装置的计算机上运行时，所述程序代码模块令所述装置执行根据权利要求11所述的方法的步骤。
应当理解，根据权利要求2所述的装置、根据权利要求1所述的组织特性确定设备、根据权利要求11所述的用于确定组织的特性的方法以及根据权利要求12所述的计算机程序具有类似和/或等同的优选实施例，尤其是如从属权利要求中所定义的实施例。
应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求与各自独立权利要求的任意组合。
本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例变得显而易见并参考下文描述的实施例加以阐述。
附图说明
在以下附图中：
图1示意性并且示范性地示出了用于确定组织的特性的装置的实施例，
图2示意性并且示范性地示出了所述装置的测量头的实施例，
图3示意性并且示范性地示出了所述装置的测量头的另一实施例，
图4示意性并且示范性地示出了所述装置的测量头的另一实施例，并且
图5示出了示范性地说明用于确定组织的特性的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
图1示意性并且示范性地示出了用于确定组织的特性的装置的实施例。在这一实施例中，装置1适于确定宫颈组织的特性。装置1包括光学测量设备2，光学测量设备2具有包括一个或若干光源的光发射单元3、光探测器4和用于将光源3生成的光引导至组织并将来自组织的光引导至光探测器4的光纤。将光纤布置到测量探头31内，测量探头31适于被引入到躺在台37上的女性30体内，从而使测量探头31的顶端38前进至宫颈。在图2中更加详细地示意性并且示范性地示出了测量探头31的顶端38。
测量探头31的顶端38包括测量头5，将用于将光从光发射单元3引导至组织6的光纤7、8、9的末端以及用于将光从组织6引导至光探测器4的光纤10的末端布置到测量头5内。用于将光引导至组织6的光纤7、8、9能够被看作是源光纤，并且用于将光从组织6引导至光探测器4的光纤10能够被看作是探测光纤。光发射单元3连同源光纤7、8、9一起形成了光提供单元，并且光探测器4连同探测光纤10一起形成了光探测单元。
所述光提供单元和所述光探测单元适于生成指示已由组织6的上皮区域R1影响的光11的第一信号，上皮区域R1包括组织6的上皮15，还适于生成指示已由组织6的边界区域R2影响的光12的第二信号，边界区域R2包括处于组织6的上皮15和基质14之间的边界，并且还适于生成指示已由组织6的基质区域R3影响的光13的第三信号，基质区域R3包括基质14。具体而言，所述光提供单元和所述光探测单元优选适于使得所生成的第一信号指示具有小于0.5mm的在组织6中的平均穿透深度D1的光11，使得所生成的第二信号指示具有大于0.2mm且小于0.75mm的在组织6中的平均穿透深度D2的光12，使得所生成的第三信号指示具有大于0.5mm的在所述组织6中的平均穿透深度D3的光13。
所述光提供单元适于提供若干照射位置17、18、19，若干光束11、12、13从所述若干照射位置沿照射方向发射，其中，所述光探测单元适于提供探测位置20，在所述探测位置处对光进行探测。在这一实施例中，所述光提供单元和所述光探测单元适于提供照射位置和探测位置的三个组合17、20；18、20；19、20，并根据从第一组合17、20的照射位置发射并由第一组合17、20的探测位置探测的光束11而生成第一信号，根据从第二组合18、20的照射位置发射并由第二组合18、20的探测位置探测的光束12而生成第二信号，并且根据从第三组合19、20的照射位置发射并由第三组合19、20的探测位置探测的光束13而生成第三信号。
测量头5包括外部平面毗邻表面21，外部平面毗邻表面21用于与组织6毗邻，同时利用光照射组织6并探测来自组织6的光。在这一实施例中，照射方向和探测方向垂直于毗邻表面21，其中，第一组合17、20的照射位置与探测位置之间的距离小于0.6mm，尤其是0.3mm，第二组合18、20的照射位置与探测位置之间的距离处于0.6mm到1.2mm之间，尤其是1.0mm，并且第三组合19、20的照射位置与探测位置之间的距离处于1.2mm到3.0mm之间，尤其是1.5mm。所述照射方向和所述探测方向优选分别由源光纤和探测光纤的末端面的取向定义，即因为在这一实施例中，所述照射方向和所述探测方向垂直于外部平面毗邻表面21，因此所述源光纤和所述探测光纤的末端面优选平行于外部平面毗邻表面21。
光发射单元3包括三个光源，所述三个光源能够依次工作，从而将光依次耦合到源光纤7、8、9中，使得每次仅从单个照射位置对组织6进行照射，以便区分从不同照射位置17、18、19发射并在同一探测位置20处探测的光。在其他实施例中，还能够使用其他技术区分从不同照射位置17、18、19发射的光。
由光源3提供的光优选是白光，以执行漫反射谱测定法的测量。然而，所述光发射单元也能够适于提供处于期望波长范围内的光。所述光探测器优选包括谱仪，使得所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号优选是谱。在这一实施例中，所述谱是漫反射谱。在另一实施例中，所述光提供单元和所述光探测单元还能够适于提供其他谱，例如，荧光谱或拉曼谱。
能够使用位置探测***32探测测量探头31的顶端38在人30体内的位置。在这一实施例中，所述位置探测***是X射线荧光透视***，尤其是X射线C臂***。所述X射线荧光透视***包括用于生成穿越躺在台37上的女性30的X射线34的X射线源33，其中，由X射线探测器35探测已经穿越了女性30的X射线34。X射线荧光透视***32还包括荧光透视控制单元36，以对X射线源33和X射线探测器35加以控制。X射线探测器35生成能够在显示器40上显示的女性30的X射线图像。在所生成的X射线图像上，测量探头31的顶端38在女性30的体内是可见的，使得所述X射线图像显示了测量探头31的顶端38在女性30体内的位置。
装置1还包括用于基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号来确定组织特性的组织特性确定设备16。所述组织特性确定设备16能够适于执行特征提取技术、与分析模型的拟合以及多变量分析技术中的至少之一，以确定组织特性。能够使用这些技术直接确定组织特性，或者首先确定中间特性，之后能够使用所述中间特性确定最终的期望组织特性。具体而言，组织特性确定设备16能够适于执行R.Nachabé等人的文章“Estimationof lipid and water concentrations in scattering media with diffuse opticalspectroscopy from 900to 1600nm”(Journal of Biomedical Optics,第15卷，第3号(2010))和M.Brynolf等人的文章“Optical Detection of the Brachial Plexus forPeripheral Nerve Blocks”(Regional Anesthesia and Pain Medicine，第36卷，第4号，第350-357页(2011))中公开的特征提取技术，通过引用将这些文章并入本文。此外，组织特性确定设备16能够适于根据在文章C.Zhu等人的文章“Model based and empiricalspectral analysis for the diagnosis of breast cancer”(Optics Express，第16卷，第19号，第14961-14978卷(2008))中公开的技术而执行多变量分析技术，也通过引用将该文章并入本文。
如果组织特性确定设备16首先基于上文提到的技术中的至少之一来确定中间特性，之后使用所述中间特性来确定最终的组织特性，那么所述中间特性是血液分数、血液饱和度、水含量、脂肪含量、胡萝卜素浓度、弹性蛋白浓度、NADH浓度、FAD浓度、卟啉浓度以及维生素(尤其是维生素A)浓度中的至少之一。对于每一区域而言，即对于上皮区域、边界区域和基质区域而言，能够确定至少一个中间特性，其中，能够基于针对不同区域确定的中间特性来确定最终特性。
组织特性确定设备16确定的最终组织特性能够是例如所述组织是健康组织还是癌变组织。具体而言，组织特性确定设备16能够适于确定癌症的阶段作为组织特性，尤其是能够确定是否存在扩散性癌症。此外，组织特性确定设备16能够适于确定CIN作为组织特性。因而，组织特性确定设备16能够适于区分健康组织、CIN和癌症，尤其是扩散性癌症，其中，所述组织特性确定设备还可以适于区分CIN的不同等级，例如，区分CIN1、CIN2和CIN3。组织特性确定设备16还能够适于鉴别鳞状康组织和柱状健康组织，即，外宫颈和宫颈内膜。此外，所述组织特性确定设备能够适于识别非癌变病理性组织，尤其是诸如炎症或糜烂的各种非癌变病理性组织。
为了基于一个或若干中间组织特性来确定最终组织性质，组织特性确定设备16能够包括根据一个或若干中间组织特性定义最终组织特性的规则。这些规则能够是基于具有已知的中间组织特性和已知最终组织特性的组织样本而预定义的，其中，能够将所述规则预定义使得，在给定已知的中间组织特性的情况下，所述规则得出已知的最终组织特性。例如，所述规则能够定义，例如，如果边界区域中的归一化血液分数大于预定义阈值并且如果上皮区域和基质区域中的归一化血液分数小于预定义阈值，那么存在CIN1。此外，所述规则能够定义，如果上皮区域、边界区域和基质区域中的归一化血液分数提高，即，大于预定义阈值，那么存在扩散性癌症。对于其他中间组织特性和最终组织特性，也能够定义对应的规则。组织特性确定设备16还能够包括用于根据所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号，尤其是根据所述信号表示的对应谱来直接确定中间组织特性或者最终组织特性的规则。
在实施例中，所述组织特性确定设备适于对谱的特定波长处的值应用所述规则，以便确定中间或最终组织特性。例如，能够向不同谱的相同特定波长处的值的比和/或向同一谱的不同特定波长处的值的比应用所述规则。也能够将所述规则定义为使得它们能够被应用于这些比的组合。特定波长能够指示例如，各自谱的峰值或等消光点。能够通过校准测量预定义所述规则，其中，将所述规则预定义为使得，如果向具有已知特性的组织的训练谱应用所述规则，那么所述规则得出这一已知特性。
组织特性确定设备16还适于将信号与预定义预期进行比较，并且在所述信号不对应于预定义预期的情况下生成误差信号。例如，组织特性确定设备16能够适于将信号，即，光学测量结果与预期进行直接比较，或者所述特性确定单元能够适于对所述信号进行处理，并将处理结果与预期进行比较。能够通过被执行以确定组织特性的处理步骤对所述处理进行定义。因而，如果测量结果或分析结果得出了错误的或者包含性结果，那么能够生成误差信号。这一误差信号能够是能够被输出的声学和/或光学信号，以便向用户指示误差。所述误差信号还能够指示误差的种类，其中，能够在显示器40上将误差种类显示给用户。此外，如果已经生成了误差信号，那么所述装置能够适于重复测量和分析。
例如，所述组织特性确定设备能够适于在光学测量设备提供的信号，尤其是谱信号在特定波长处的值分别大于或者小于最大预期信号或者最小预期信号的情况下而生成误差信号。如果所述光学测量设备提供的信号小于最小预期信号，那么其可以指示测量头未与组织接触，或者所述光学测量设备中的什么东西发生了故障。所述组织特性确定设备还能够适于在中间特性大于最大预期中间特性或者小于最小预期中间特性的情况下生成误差信号。例如，如果已经确定血液分数作为中间特性，并且如果血液分数大于最大预期血液分数，那么能够生成误差信号，其中，在这种情况下误差信号可以指示在监测位置处组织正在出血。组织特性确定设备当然还能够适于将信号直接与其他预定义预期进行比较，将中间特性和/或最终特性与其他预定义期望进行比较，并在不符合预定义预期的情况下生成误差信号。
在实施例中，如图3示意性并且示范性所示，所述光探测单元能够适于提供另一探测位置。
图3示意性并且示范性地示出了测量头105的另一实施例，测量头105包括由对应的源光纤的末端形成的三个照射位置117、118、119和由对应的两条探测光纤的末端形成的两个探测位置120、140。在这一实施例中，能够通过使用第一照射位置117与探测位置120、140的两个组合来生成两个第一信号，通过使用第二照射位置118与探测位置120、140的两个组合来生成两个第二信号，并且通过使用第三照射位置119与探测位置120、140的两个组合来生成两个第三信号。在这一实施例中，光探测器4优选包括两个谱仪，其中，优选将在第一探测位置120处探测的光引导至第一谱仪，并且优选将在第二探测位置140处探测的光引导至第二谱仪。所述第一谱仪优选是可见光谱仪，并且所述第二谱仪优选是红外光谱仪。
能够将图3所示的测量头105与上文参考图1和图2描述的装置一起使用，其中，作为图2示意性并且示范性所示的测量头5的替代，能够使用图3示意性并且示范性所示的测量头105，并且其中，能够使用具有两个谱仪的光探测器。这一装置允许生成对应于可见光波长范围和红外线波长范围的两组信号。因而，组织特性确定设备16优选适于基于两组信号来确定组织特性。例如，能够将所述第一信号一起用于确定上皮区域的中间组织特性，能够将所述第二信号一起用于确定边界区域的中间组织特性，并且能够将所述第三信号一起用于确定基质区域的中间特性，其中，组织特性确定设备16能够使用这些中间组织特性以确定最终组织特性，尤其是确定所述组织是健康组织还是癌变组织。
图4示意性并且示范性地示出了测量头305的另一实施例。测量头305包括三条源光纤307、308、309和三条探测光纤310、330、331。所述源光纤和所述探测光纤形成了三个组合，源光纤307和探测光纤310定义了第一组合，源光纤308和探测光纤330定义了第二组合，并且源光纤309和探测光纤331定义了第三组合。第一信号是根据第一组合定义的光311生成的，第二组合是根据第二组合定义的光312生成的，并且第三信号是根据第三组合定义的光313生成的。源光纤307、308、309定义了从其发射光的照射位置317、318、319，并且探测光纤310、330、331形成了在其处对光进行探测的探测位置320、321、322，其中，在这一实施例中，向每一照射位置分配单个探测位置。所述光探测器优选适于针对每一探测位置，即，针对源光纤和探测光纤的三种组合中的每者，并因此针对照射位置和探测位置的三种组合中的每者确定谱，其中，组织特性确定设备16能够使用所得到的三个谱来确定组织特性。
能够将图4所示的测量头305与上文参考图1和图2描述的装置一起使用，其中，作为图2示意性并且示范性所示的测量头5的替代，能够使用图4示意性并且示范性所示的测量头305。
在下文中，将参考图5所示的流程图示范性地描述用于确定组织的特性的方法的实施例。
在步骤201中，通过光学测量设备的光提供单元提供用于对所述组织进行照射的光，并且通过光学测量设备的光探测单元探测来自所述组织的光，其中，所述光提供单元和所述光探测单元生成指示已由所述组织的包括上皮的上皮区域影响的光的第一信号、指示已由所述组织的包括上皮和基质之间的边界的边界区域影响的光的第二信号以及指示已由所述组织的包括基质的基质区域影响的光的第三信号。在步骤202中，通过组织特性确定设备基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号来确定组织特性，例如，确定该组织是健康组织还是癌变组织。在步骤203中，在显示器上将所确定的组织特性显示给用户。
上文参考图1到图4描述的装置能够适于甚至允许不太有经验的保健人员可靠地诊断癌症并确定癌症阶段。
在发展中国家占***病历的98％以上的扩散性鳞状细胞***之前存在很长的扩散前疾病阶段，该阶段统称为CIN。CIN通常是从上皮的下面部分出现的。能够根据表现出了分化细胞的上皮的厚度所占的比例将CIN分类为1级、2级和3级(CIN1、CIN2、CIN3)。CIN2和CIN3是处置的最佳阶段。在发达国家通常不对CIN1进行处置，而是保持观察。但是在发展中国家，在随访成问题时，往往对CIN1进行处置。
一旦癌症达到了扩散阶段，尤其是扩散到了基质中，将需要立即的强化处置。因此，重要的是区分扩散性癌症和原位的非扩散性癌症，因为处置选择将存在根本的不同。能够通过局部切除处置CIN和原位癌症，而扩散性癌症通常将需要完全的子宫切除，即，将宫颈和子宫全部去除，但是如果希望保留生育能力，仍然能够通过局部切除成功地处置非常早期的扩散性阶段，即所谓的微扩散性癌症或阶段1A。对CIN和健康组织进行区分，并且在较低的程度上区分CIN的不同级也是很重要的。
在现有技术当中，在疑似存在***时，通常通过***镜检查完成第一诊断和阶段确定。令人遗憾的是，***镜检查需要经验非常丰富的操作人员，而且会表现出很强的因观察者不同而各异的变化。也能够只对癌症的表面进行观察，这意味着无法对扩散性癌症和非扩散性癌症进行区分。出于这一原因，可能往往需要穿刺活检。然而，活检很费时，通常要用数天的时间。在发展中国家的农村地区，女性往往必须要经过很远的路途去看妇科医生，这一等待时间意味着相当大的收入损失，尤其是因为这些女性的行程一般要有男性亲属的陪伴。任何等待时间都将增加随访的损失，因而活检经常被跳过。而且，只能在宫颈的一些可疑的查看点做活检。这种做法遗留下了识别不出扩散癌症的风险，因为活检位置只显现扩散前癌症。或者，可能将子宫全部摘除，即使扩散部分可能只局限于非常小的，尤其是微扩散的病灶，这些病灶本可以通过锥切就被去除。最后但同样重要的，***镜或者典型的目视检查只能检查宫颈的外侧部分，即，外宫颈。在宫颈开口当中处于更深处的癌变病灶，即，所谓的宫颈内膜一般得不到检测。
作为对照，上文参考图1到图4描述的装置提供了一种光子工具，其能够可靠地实时检测***并确定阶段，所述工具能够是***镜和活检的重要补充，甚至可以将其取代，以便改善数不清的***病例的最终结果。
所述装置提供了基于光子工具的探头，其被设计为检测外宫颈和宫颈内膜中的***并确定其阶段。光子工具将光从探头，即测量头发送到在这一实施例中为宫颈的生物学组织中，并探测从所述组织返回的光，其中，对返回的光进行分析。能够在光学控制台中完成光生成和分析，并通过光纤完成往返于探头的传送。将光从控制台传送至探头的光纤被称为源光纤，而将光从探头传送至控制台的光纤则被称为收集光纤或探测光纤。可见光和近红外光向生物学组织中的穿透能够达到几毫米。通过改变探头的几何结构，例如，源光纤和收集光纤的距离和/或角度，能够确定所分析的光平均已向该组织中穿透了多深。
所述探头优选是在测量期间与宫颈接触的非穿透探头。所述探头优选包括源光纤和探测器光纤的不同组合，使得每一源-探测器组合的光平均而言探查到同一组织位置中的不同深度。在实施例中，一个源-探测器组合基本上以小于0.5mm的平均穿透深度探查上皮，一个源-探测器组合基本上以在0.2mm到0.75mm之间的范围中的平均穿透深度探查上皮和基质之间的边界区域，并且一个源-探测器组合基本上以大于0.5mm的平均穿透深度探查基质/肌肉区域。所述装置优选根据三个源-探测器组合之间的谱差异来区分健康组织、CIN和扩散性癌症，并向操作人员显示结果。
所述装置还优选提供更加精细的鉴别，例如，对CIN1和CIN2的鉴别以及对扩散性癌症的阶段1A和阶段1B的鉴别。备选地或额外地，所述装置可以在鳞状健康组织和柱状健康组织之间进行鉴别，尤其是在外宫颈健康组织和宫颈内膜健康组织之间进行鉴别，并识别出典型的非癌变病理学组织，例如，炎症或糜烂。
在实施例中，能够对不同的谱进行处理，例如，相减，相除，积分，微分，缩放等等，其中，能够使用所得到的一个或若干经处理的谱以基于将应用于所述一个或若干经处理的谱的预定义规则来确定中间特性或最终特性。
所述装置优选包括探头，即测量头，其向组织发送光，其中，所述光中的一些将被发送回所述探头并被探测。如果所述光的源和所述探测器两者都很小，例如，如果它们是由光纤的面形成的，那么所探测的光通常将穿过组织的香蕉形的体积。所探查的体积和深度将取决于光提供和光探测两者的确切性质和几何结构。优选使用三种源-探测器组合，它们将探查同一组织位置的不同深度。将这些深度选择为使得上皮、上皮与基质之间的边界区域、以及基质中的每者均被探查。
尽管所述装置优选适于对***进行检测和阶段确定，但是所述装置也能够适于确定其他组织特性，尤其是人或动物的其他部分的组织特性。例如，所述装置可以适于检测由鳞状上皮产生的其他类型的癌症，例如，口腔癌。
尽管在上文描述的实施例中，所述装置使用光纤传送来自源的光和通往探测器的光，但是备选地或额外地，所述测量头可以包括诸如发光二极管的光源和/或光探测器，从而尤其在不使用光纤的情况下对组织进行照射并接收来自组织的光。
尽管在上文描述的实施例中优选测量漫反射谱，其中，利用白光对组织进行照射，但是所述装置还能够适于测量荧光谱或拉曼散射谱，例如，如M.Skala等人的文章“AnInvestigation of Fiber-Optic Probe Designs for Optical SpectroscopicDiagnosis of Epithelial Pre-Cancers”(Lasers in Surgery and Medicine，第34卷，第1号，第25-38页(2004))中所述，通过引用将该文章并入本文。所述装置还能够适于测量漫反射谱、荧光谱和/或拉曼散射谱的组合。
所述装置优选包括平探头，即，测量头，其包括一条探测光纤和三条源光纤，从而得到三种不同的源-探测器组合。所述光纤优选终止于与探头的边缘平行的平直面中。所述探头能够沿宫颈的边缘滑动，但不会穿透。源光纤与探测器光纤相隔不同的距离。在这样的配置中，所探测的光平均向组织中穿透了光纤之间的距离的大约一半。因此，如果源光纤和探测光纤之间的距离为1.5mm、1mm和0.3mm，那么平均测量深度将大约为0.75mm、0.5mm和0.15mm，使得上皮、上皮与基质之间的边界、以及基质基本上全都得到了单独探查，其中，假设基质上的深度伴随着强空间变化处于大约0.2mm到0.5mm之间，即，其中，假设基质与上皮之间的边界处于组织的表面以下的0.2mm和0.5mm之间。
所述组织特性确定设备能够适于执行特征提取技术、用于拟合分析模型的拟合技术和/或多变量分析技术。如果应用多变量分析技术，通过使用适当的训练集，将自动识别出三种谱中的针对不同组织特性的，例如，针对不同组织类型以及癌症的不同阶段的特征模式。如果使用特征提取技术或与分析模型的拟合，优选首先单独对每一区域，尤其是对每一谱进行分析。例如，可以通过任一种方法从漫反射谱中提取组织的血液分数的测度，以便针对每一区域，尤其是针对每一谱来确定血液百分比值。因而，优选针对该三个区域获得三个血液百分比值。对于上皮、边界区域和基质，甚至对于健康组织，这些值通常是不同的。因此，所述组织特性确定设备优选使所述值归一化。高于正常血液分数是癌变细胞的一个指征。因而，对于CIN1病灶而言，预期在边界区域中具有较高的血液分数，但是在基质或者上皮中则并非如此或者程度太低。另一方面，扩散性基质将在所有的三种谱中都表现出提高的血液分数。对于其他病灶类型或者其他生物学标记而言能够确定类似的模式。能够通过使用光子工具确定的典型生物学标记为血液分数、血液饱和度、水含量、脂肪含量、β胡萝卜素浓度以及来自漫反射谱的光散射和来自荧光谱的弹性蛋白、胶原蛋白、NADH、FAD、卟啉及维生素A浓度。癌症的典型指征是提高的血液分数、提高的散射、提高的NADH、提高的FAD和降低的血液氧合作用。
尽管在上文描述的实施例中，不同组合的照射位置与探测位置之间的距离是不同的，以便生成对应于不同穿透深度的不同信号，但是备选地或额外地，在其他实施例中，能够使照射方向和探测方向，尤其是照射光纤和探测光纤的角度发生变化，以便提供不同的穿透深度。而且，能够将诸如透镜的光学元件布置到一条或若干条光纤的前面，以修改穿透深度。
用于对组织进行照射以生成不同信号的光能够处于相同的波长范围内，具体而言，其能够是白光。此外，用于对组织进行照射以生成不同信号的光能够处于不同波长范围内，使得用于生成特定信号的照射光处于特定波长范围内，该特定波长范围不同于用于生成另一信号的另一波长范围。
通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且量词“一”或“一个”不排除多个。
单个单元或设备可以完成权利要求中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载特定措施并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
能够将基于信号的组织特性的确定和/或基于用于确定组织的特性的方法的对用于确定组织的特性的装置的控制实施为计算机程序的程序代码模块和/或实施为专用硬件。
计算机程序可以存储/分布在适当的介质上，介质例如是与其他硬件一起供应或作为其他硬件一部分供应的光学存储介质或固态介质，但计算机程序也可以在其他形式中分布，例如经由因特网或其他有线或无线的远程通信***。
权利要求中的任何附图标记不得被解释为对范围的限制。
本发明涉及一种用于确定组织的特性，尤其是用于确定宫颈组织的癌症的装置。光提供单元提供用于照射所述组织的光，并且光探测单元探测来自所述组织的光，其中，生成指示已由上皮区域影响的光的第一信号、指示已由边界区域影响的光的第二信号以及指示已由基质区域影响的光的第三信号，并且其中，基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号，确定组织特性。这允许基于在三个不同区域中测得的光学特性的组合来确定组织特性，从而得到对所述组织特性的改进的确定，尤其是得到改进的癌症检测。
Claims (8)
1.一种用于与光学测量设备协同工作以确定组织特性的组织特性确定设备(16)，所述组织(6)包括上皮(15)和基质(14)，并且所述光学测量设备(2)包括：
-光提供单元(3、7、8、9)，其用于提供对所述组织(6)进行照射的光(11、12、13)，以及
-光探测单元(4、10)，其用于探测来自所述组织(6)的光(11、12、13)，其中，所述光提供单元(3、7、8、9)和所述光探测单元(4、10)适于生成指示已由所述组织(6)的包括所述上皮(15)的上皮区域(R1)影响的光(11)的第一信号、指示已由所述组织(6)的包括所述上皮(15)与所述基质(14)之间的边界的边界区域(R2)影响的光(12)的第二信号以及指示已由所述组织(6)的包括所述基质(14)的基质区域(R3)影响的光(13)的第三信号，
其中，所述组织特性确定设备(16)适于基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号来确定组织特性，其中，所述组织特性为以下中的至少一项：健康组织、宫颈上皮内瘤变和癌症，
其中，所述光提供单元(3、7、8、9)适于提供一个或若干照射位置(17、18、19)，一个或若干光束(11、12、13)从所述一个或若干照射位置沿一个或若干照射方向发出，并且其中，所述光探测单元(4、10)适于提供一个或若干探测位置(20)，在所述一个或若干探测位置处对光进行探测，其中，所述光提供单元(3、7、8、9)和所述光探测单元(4、10)适于提供照射位置和探测位置的三种组合(17、20；18、20；19、20)，并且根据从第一组合(17、20)的照射位置发出并由所述第一组合(17、20)的探测位置探测的光(11)而生成第一信号，根据从第二组合(18、20)的照射位置发出并由所述第二组合(18、20)的探测位置探测的光而生成第二信号，并根据从第三组合(19、20)的照射位置发出并由所述第三组合(19、20)的探测位置探测的光而生成第三信号，并且
其中，所述光学测量设备(2)包括具有外部平面毗邻表面(21)的测量头(5)，所述外部平面毗邻表面用于与所述组织(6)毗邻，同时利用光来照射所述组织(6)并探测来自所述组织(6)的光，其中，所述照射方向和探测方向垂直于所述毗邻表面(21)，其中，所述第一组合(17、20)的所述照射位置与所述探测位置之间的距离小于0.6mm，所述第二组合(18、20)的所述照射位置与所述探测位置之间的距离处于0.6mm到1.2mm之间，并且所述第三组合(19、20)的所述照射位置与所述探测位置之间的距离处于1.2mm到3.0mm之间。
2.一种用于确定组织的特性的装置，所述组织(6)包括上皮(15)和基质(14)，所述装置(1)包括：
-光学测量设备(2)，其具有用于提供用于对所述组织(6)进行照射的光的光提供单元(3、7、8、9)和用于探测来自所述组织(6)的光的光探测单元(4、10)，其中，所述光提供单元(3、7、8、9)和所述光探测单元(4、10)适于生成指示已由所述组织(6)的包括所述上皮(15)的上皮区域(R1)影响的光(11)的第一信号、指示已由所述组织(6)的包括所述上皮(15)与所述基质(14)之间的边界的边界区域(R2)影响的光(12)的第二信号以及指示已由所述组织(6)的包括所述基质(14)的基质区域(R3)影响的光(13)的第三信号；以及
-根据权利要求1所述的组织特性确定设备(16)，
其中，所述光提供单元(3、7、8、9)适于提供一个或若干照射位置(17、18、19)，一个或若干光束(11、12、13)从所述一个或若干照射位置沿一个或若干照射方向发出，并且其中，所述光探测单元(4、10)适于提供一个或若干探测位置(20)，在所述一个或若干探测位置处对光进行探测，其中，所述光提供单元(3、7、8、9)和所述光探测单元(4、10)适于提供照射位置和探测位置的三种组合(17、20；18、20；19、20)，并且根据从第一组合(17、20)的照射位置发出并由所述第一组合(17、20)的探测位置探测的光(11)而生成第一信号，根据从第二组合(18、20)的照射位置发出并由所述第二组合(18、20)的探测位置探测的光而生成第二信号，并根据从第三组合(19、20)的照射位置发出并由所述第三组合(19、20)的探测位置探测的光而生成第三信号，并且
其中，所述光学测量设备(2)包括具有外部平面毗邻表面(21)的测量头(5)，所述外部平面毗邻表面用于与所述组织(6)毗邻，同时利用光来照射所述组织(6)并探测来自所述组织(6)的光，其中，所述照射方向和探测方向垂直于所述毗邻表面(21)，其中，所述第一组合(17、20)的所述照射位置与所述探测位置之间的距离小于0.6mm，所述第二组合(18、20)的所述照射位置与所述探测位置之间的距离处于0.6mm到1.2mm之间，并且所述第三组合(19、20)的所述照射位置与所述探测位置之间的距离处于1.2mm到3.0mm之间。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述光提供单元(3、7、8、9)和所述光探测单元(4、10)适于使得：
-所生成的第一信号指示具有在所述组织(6)中小于0.5mm的平均穿透深度(D1)的光(11)，
-所生成的第二信号指示具有在所述组织(6)中大于0.2mm且小于0.75mm的平均穿透深度(D2)的光(12)，并且
-所生成的第三信号指示具有在所述组织(6)中大于0.5mm的平均穿透深度(D3)的光(13)。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述光学测量设备(2)适于使得所生成的信号是谱，并且其中，所述组织特性确定设备(16)适于基于作为所述第一信号的第一谱、作为所述第二信号的第二谱和作为第三信号的第三谱来确定所述组织特性。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述光学测量设备适于：
-生成指示已由所述上皮区域(R1)影响的光的若干第一信号，其中，不同的第一信号指示处于不同波长范围内的光，
-生成指示已由所述边界区域(R2)影响的光的若干第二信号，其中，不同的第二信号指示处于不同波长范围内的光，以及
-生成指示已由所述基质区域(R3)影响的光的若干第三信号，其中，不同的第三信号指示处于不同波长范围内的光，
其中，所述组织特性确定设备(16)适于基于所述若干第一信号、所述若干第二信号和所述若干第三信号来确定所述组织特性。
6.根据权利要求2所述的装置，其中，所述组织特性确定设备(16)适于执行特征提取技术、与分析模型的拟合和多变量分析技术中的至少之一，以确定所述组织特性。
7.根据权利要求2所述的装置，其中，所述组织特性确定设备(16)适于：
-确定所述上皮区域(R1)、所述边界区域(R2)和所述基质区域(R3)中的至少之一中的血液分数、血液饱和度、水含量、脂肪含量、胡萝卜素浓度、弹性蛋白浓度、胶原蛋白浓度、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸浓度、黄素腺嘌呤二核苷酸浓度、卟啉浓度、维生素浓度中的至少之一作为中间特性，并且
-根据所确定的中间特性确定所述组织特性。
8.根据权利要求2所述的装置，其中，所述组织特性确定设备(16)还适于将所述信号与预定义预期进行比较，并在所述信号不对应于所述预定义预期的情况下生成误差信号。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20180807 Termination date: 20200301 |
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