专利名称：同时获取生物组织的结构和成分信息的装置及方法
技术领域：
本发明涉及取得生物生理参数的装置，更具体地说，涉及一种同时获取生 物组织的结构和成分信息的装置及方法。
背景技术：
取得生物组织的结构信息，作为对生物患病的判断的一种基础或前提，在 目前得到广泛的运用。当然，该结构信息还需要与其他多种生物参数相结合， 才能起到其应有的作用。在某些情况下，该结构信息和生物组织的成分信息(包 括该组织的分子结构、是否出现组织成分的变化等)结合，能够较为充分地表 明生物组织的情况。现有技术中，有多种较为成熟的获取上述结构信息的方法
及设备，包括超声、X射线、电子计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、 正电子发射断层扫描(PET)、单光子发射断层成像(SPECT)及功能磁共振成 像(fMRI)等多种模态影像信息。不同的医学影像能提供生物相关脏器和组织 的不同信息。例如，能够提供解剖结构信息的CT和MRI图像都有较高的空间 分辨率，前者对密度差异较大的组织效果较好，如骨组织和血管，后者则可清 晰地辨别软组织，但对骨组织几乎不显像；而SPECT、 PET能反映生物的功能 和代谢信息，但空间分辨较差。就超声成像而言，目前广泛使用的B型超声波 诊断仪的超声频率范围为0. 5 ~ 10MHz ,能够获得生物内部脏器的直观图像，因 而已成为医学影像it断中的重要工具。但由于B超诊断仪的频率范围较低，超 声波的波长较长，图像的分辨率受到限制。此外，目前使用太赫兹时域光语技 术(Terahertz time domain spectroscopy, THz — TDS)可以得到生物组织的成分信息。太赫兹频带是指振荡频率在THz (lTHz=1012Hz)波段的电磁波，它 在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间，利用物质对太赫兹频带的不同特征吸 收谱，分析研究物质成分、结构及其相互作用关系。通常有机分子内化学键的 振动吸收频率主要在普通红外波段，但对于分子之间弱的相互作用(如氢键)及 大分子的骨架振动(构型弯曲)、偶极子的旋转和震动跃迁以及晶体中晶格的低 频振动吸收频率，则对应于太赫兹红外波段范围。这些振动所反映的分子结构 及相关环境信息，都在太赫兹波段内不同吸收位置及吸收强度上有明显的响 应，有机分子的这些光谱特征，使得利用太赫兹时域光谱技术鉴别化合物结构、 构型与环境状态成为可能。在现有技术中，人们通常采用分别取得上述生物组 织的结构信息和成分信息的方法，再由医生将其综合考虑、判断。但这种做法 的缺点是不仅要针对同一生物组织做出两次检测，而且对于较难确定两次检测 的结果就是针对同一组织中的同一点，容易造成误判及较难准确定位问题点。 同时，目前所采用的一些方法对生物有些副作用，不安全。
发明内容
有鉴于此，有必要针对现有技术的上述操作较为复杂、费时较长以及难于 完全对齐两次检测结果的缺陷，提供一种节省时间、操作简单的一种同时获取 生物组织的结构和成分信息的装置。
此外，还有必要提供一种同时获取生物组织的结构和成分信息的方法。 一种同时获取生物组织的结构和成分信息的装置，包括用于获取生物组织
结构的成像组件和用于获取生物组织成分信息的成分才企测组件，还包括安装所
述成像组件和成分检测组件并使所述成像组件和成分检测组件的检测点位于
同 一个空间位置的检测平台以及分别与所述成像组件和成分检测組件连接并
处理其检测数据的数据处理装置。
优选地，在所述检测平台上对应于所述检测点的位置设置有用于使所述成
6像组件和所述成分检测组件的检测点快速对准同一空间位置的检测点标记；所 的移动装置。
优选地，所述成分检测组件包括检测探头，所述检测探头包括分别安装在 所述检测平台上的发射部分和接收部分，所述发射部分和接收部分的连线经过 所述检测点；所述移动装置分别设置在所述发射部分和所述接收部分，用于分 别调节所述发射部分和所述接收部分在所述检测平台上的位置。
优选地，所述发射部分包括发射晶体和发射反射镜，所述接收部分包括接 收晶体和接收反射镜；所述发射晶体设置在所述发射反射镜的入射光焦点上， 所述接收晶体设置在所述接收反射镜的反射光焦点上；所述检测点位于所述发 射反射镜的反射光焦点和所述接收反射镜的入射光焦点上。
优选地，还包括为所述发射晶体提供驱动的fs光源和接收所述接收晶体 输出信号的锁相^t大器，所述fs光源和所述锁相;^文大器还分别与所述数据处 理装置相连。
优选地，所述成分4全测组件包括其工作频率为0. 1 - 10THz的太赫兹光谱 分析装置。
优选地，所述成像组件为超声、X射线、电子计算机断层扫描、磁共振、 正电子发射断层、单光子发射断层或功能磁共振成像装置中的一种。
优选地，所述超声成像装置包括设置在所述检测平台上、与所述检测点处 于同一直线上以及发射超声波并接收由位于所述检测点的物体所反射的回波 的超声探头、超声信号发生器和超声信号接收器；所述超声信号发生器和超声 信号接收器分别与所述超声探头和所述数据处理装置相连；所述移动装置与所 述超声探头连接，用于调节所述超声探头在所述检测平台上的位置。优选地，所述超声成像装置包括其工作频率设置在10MHz - 30MHz的高频 超声成像装置。
一种同时获取生物组织的结构和成分信息的方法，包括如下步骤调节成 像组件或/和成分4企测组件使所述成像组件和成分^企测组件的^r测点对准设置 在安装上述组件的4企测平台上的标记点；
微调所述成像组件和成分检测组件对准生物组织的同 一点，控制其分别获 取生物组织的结构信息和成分信息；
移动待检测生物组织的位置，使生物组织位于上述检测点的部分不同而同 时得到不同位置的结构信息和成分信息。
上述同时获取生物组织的结构和成分信息的装置及方法，由于成像组件和 成分检测组件的检测点位于同一个空间位置，检测的是同一组织中的同一空间 位置，所以在显示装置上出现的是同一个空间的点上的结构信息和成分信息， 一次检测即可得到上述结果，可以节省时间、使操作简单、且对生物组织没有 副作用。
图1是本发明同时获取生物组织的结构和成分信息的装置及方法实施例 中的装置结构示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图及实施例作进一步说明。
如图l所示，在同时获取生物组织的结构和成分信息的装置的实施例中， 该装置分为包括fs光源4、发射晶体12、发射反射镜ll、接收反射镜21、接 收晶体22以及锁相放大器5在内的生物组织成分检测组件，包括超声探头6、超声信号发生器7和超声信号接收器8在内的成像组件，与上述fs光源4、 锁相放大器5、超声信号发生器7和超声信号接收器8通过总线相连的数据处 理装置9以及用于安装上述各组件和放置生物组织的检测平台(图中未示出)。 其中，上述发射晶体12和发射反射镜11构成成分检测组件的检测探头的发射 部分1,上述接收晶体22和接收反射镜21构成成分检测组件的检测探头的接 收部分2;而图1中4企测点3(在本实施例中，4企测点3在上述4企测平台的位置 上设置有检测点标记，在稍后有较为详细的描述)则位于上述接收探头2和发 射探头1之间，上述成分4企测组件所取得的信息就是位于上述检测点3上的生 物组织的信息；同时，设置在上述检测平台上的超声成像装置的超声探头也对 准该点并通过接收超声回波取得位于该点的结构图像。
在图1中，发射晶体12设置在发射反射镜11的入射光焦点上，接收晶体 22设置在接收反射镜21的反射光焦点上；检测点3位于发射反射镜11的反 射光焦点和接收反射镜21的入射光焦点。上述检测点3是在检测平台内的一 个空间位置，由于上述成分检测组件的检测探头的发射部分1和接收部分2 以及检测点3在同一条直线上，所以只要调节上述成分检测组件的检测探头的 上述各部分的位置，可以使得上述检测点3刚好处于上述发射反射镜11的反 射光的焦点位置上，同时也同样位于上述接收反射镜的入射光的焦点位置上。 同时，调整成像设备的检测探头6的位置，使其焦点同样在上述检测点3，具 体而言，就是使上述4全测点标记在两个组件中均清晰成像。同样，上述发射晶 体12设置的位置是发射反射镜11的入射光的焦点上，而接收晶体22也同样 处于上述接收晶体21的反射光的焦点位置上。使成像组件和成分检测组件的 才企测点3位于同 一个空间位置。
在本实施例中，成分^r测组件包括其工作频率为0. 1 - 10THz的太赫兹光 谱分析装置。太赫兹因为其光频在10的12次方量级，光子能量极低，是X 射线的百万分之一，对生物体没有电离伤害，具有高度的安全性。该技术对特定分子的鉴别是通过光谱分析，仅需利用太赫兹波扫描样品即可一次性获得所 需信息，同时具有无探针和多目标同时探测等优势。在本实施例中，成分检测
组件的工作过程如下在数据处理装置9的控制下，fs光源4产生驱动信号， 并传送到发射晶体12，发射晶体12产生太赫兹频段的信号传送到发射反射镜 11，通过发射反射镜11的反射聚焦，该信号透射过检测点3并被接收反射镜 21接收，此时，接收反射镜21接收到的信号是经过生物组织的信号，如果生 物组织的分子结构有变异，会从其光谱上表现出来，接收反射镜21接收信号 并反射到接收晶体22,使得该接收晶体22根据该信号产生振荡，并送往锁相 放大器5放大整形后送到数据处理装置(本实施例中，该数据处理装置是一台 计算机)，在对比保存在上述数据处理装置中的该组织正常情形和已知的变异 情形后在上述数据处理装置上显示或存储。在其他实施例中，也可以不采用透 射的形式而采用反射的形式取得上述成分信息。
此外，成像组件可以是超声、X射线、电子计算机断层扫描、磁共振、正 电子发射断层、单光子发射断层或功能磁共振等成像装置。在本实施例中，采 用的是其工作频率设置在10MHz-30MHz的高频超声成像装置。对于通常以B 模式扫描的超声仪器来讲，其横向分辨率直接决定于波在组织中的波长，波长 越短则分辨率越高，而其纵向分辨率决定于超声脉沖的带宽，带宽越大分辨率 越高。因此，无论是横向还是纵向，提高超声成像分辨率的最基本的方法就是 提高超声频率。在本实施例中，其工作频率为20MHz,所以成像组件的分辨率 较高。
在本实施例中，成像装置包括设置在所述检测平台上、与所述检测点3 处于同一直线上、发射超声波并接收由位于检测点3的物体所反射的回波的超 声探头6、超声信号发生器7和超声信号接收器8。其中，超声信号发生器7 和超声信号接收器8分别与超声探头6和数据处理装置9相连。超声信号发生 器7接收数据处理装置9的控制产生电信号，通过超声探头6转换为超声波发
10射出去，并在检测点3产生回波，该回波被超声探头6接收后传送到超声信号 接收器7转换为电信号并传送到数据处理装置9而得到生物组织的结构信息。 为快速使上述成像组件和成分检测组件的检测点3位于同 一个空间位置， 在上述检测点3所在的检测平台上设置一个检测点标记，在本实施例中，该标 记是一个"十"字形图案。 一般来讲，对准同一空间位置，可以通过调整上述 两种组件的探头或/和发射器的方位，使两个焦点实现重合。但是实际操作上 具有一定的难度，因为此上述两种组件发出的波束均为肉眼不可见波束。即使 我们从理论上知道两波束均聚焦在了同一位置上，但是无法证实。因此，我们 通过对所述特征标记点(即冲企测点标记)分别进行超声和太赫兹成像，当两者 均可以清晰成^f象时，此时认为此两焦点实现对了重合，完成4企测点的初步调节。 在本实施例中，由于上述两种组件的探头和发射/接收器上设置有移动结构，
现。在其他实施例中，也可以只是在上述两种组件之中的任意一组上设置有调 节装置，所以也可以只调节其中任意一个组件实现上述调节。至于上述调节装 置，由于与通常所用的精密位置调节装置一样，属于现有技术，在此不再赘述。 此外，在实际检测中，两波束始终同位聚焦还有一个新的问题。因为在不 同的介质(空气、生物组织、不同的生物组织)中，波束的聚焦条件发生了变 化，使得焦点发生位移；另一方面，不同的波束在介质变化时，其聚焦条件会 有不同的变化，因此即使在相同的介质变化条件下(例如同时从空气转移到某 种生物组织中)，其焦点位移量也是不一样的。需要在采集样品信息之前，精 确补偿两波束焦点差距，以保证两波束均聚焦在空间上同一点。即在快速调节 后，需要在采集信息前再一次微调上述两个组件或其中任意一个，使得其对生 物组织中的同一点(任意选定的特定点)再次清晰成像。确认后，才能进行数
据木集。
通过上面的描述可知，首先构建了一个超声-太赫兹的双:探头装置。其中使用的超声在10MHz以上，太赫兹波在0. 1THz ~ 3. 5THz。利用检测点标记使 超声探头和太赫兹发射探头可以快速同时聚焦各自探测波于空间上的同 一点， 并在采集数据前根据生物组织的具体情况微调上述探头位置，使得上述两种探
头分别对于生物组织中同 一选定点清晰成^f象，于是通过该装置可以实现双:探测 波的空间同位探测。虽然超声波和太赫兹波探测时存在角度差异，但是太赫兹 波主要是用于成分探测，所以角度对其探测影响不大，可以保证最终获得的结 构信息和成分信息是来自样品中的同 一采样点。
将生物组织放在双探头与太赫兹接收探头之间，通过该生物组织的空间三 维运动，实现双探测波对样品在三维空间上的同时同位扫描。
通过超声和太赫兹各自的信号采集处理系统，将探测到的样品结构信息与
成份信息同时收集。
此外，还揭示了一种同时获取生物组织的结构和成分信息的方法，包括如
下步骤调节成像组件和成分检测組件使成像组件和检测组件的检测点对准设
置在安装上述組件的检测平台上的标记点；微调成像组件和成分检测组件对准
生物组织的同一点，控制其分别获取生物组织的结构信息和成分信息；移动待
检测生物组织的位置，使生物组织位于上述检测点的部分不同而同时得到不同
位置的结构信息和成分信息。即第一步快速调节组件对准，再根据检测的生物
组织的特性微调组件，确认后开始釆集数据，之后移动生物组织得到其中不同
位置的数据。在本实施例中，是通过分别调节两个组件来实现上述组件的快速
定位的，在其他实施例中，也可以只调节其中一个组件。此外，在其他实施例
中，检测平台上也可以设置移动装置用于移动检测的生物组织。
上述装置和方法实现了一种无探针、无伤害探测。超声-太赫兹技术利用 太赫兹波对样品的扫描探测，通过对获得的时域信号的傅立叶变换获得太赫兹 域的频谱信息，而通过比照材料的标准太赫兹谱，可以直接读出样品的成分。此方案中直接采用太赫兹波探测，所以不需要借助探针，大大提高了探测的方
便性和效率；另一方面因为太赫兹波长，所以光子能量4艮低，对生物体不会产 生电离伤害，因此具有4艮高的生物安全性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详 细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变 形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以 所附权利要
权利要求
1、一种同时获取生物组织的结构和成分信息的装置，其特征在于，包括用于获取生物组织结构的成像组件和用于获取生物组织成分信息的成分检测组件，还包括安装所述成像组件和成分检测组件并使所述成像组件和成分检测组件的检测点位于同一个空间位置的检测平台以及分别与所述成像组件和成分检测组件连接并处理其检测数据的数据处理装置。
2、 根据权利要求1所述的同时获取生物组织的结构和成分信息的装置， 其特征在于，在所述检测平台上与所述检测点对应的位置设置有用于使所述成 像组件和所述成分检测组件的检测点快速对准同一空间位置的检测点标记；所的移动装置。
3、 根据权利要求2所述的同时获取生物组织的结构和成分信息的装置， 其特征在于，所述成分检测组件包括检测探头，所述检测探头包括分别安装在 所述检测平台上的发射部分和接收部分，所述发射部分和接收部分的连线经过 所述检测点；所述移动装置分别设置在所述发射部分和所述接收部分，分别用 于调节所述发射部分和所述接收部分在所述检测平台上的位置。
4、 根据权利要求3所述的同时获取生物组织的结构和成分信息的装置， 其特征在于，所述发射部分包括发射晶体和发射反射镜，所述接收部分包括接 收晶体和接收反射镜；所述发射晶体设置在所述发射反射镜的入射光焦点上， 所述接收晶体设置在所述接收反射镜的反射光焦点上；所述检测点位于所述发 射反射镜的反射光焦点和所述接收反射镜的入射光焦点上。
5、 根据权利要求4所述的同时获取生物组织的结构和成分信息的装置，其特征在于，还包括为所述发射晶体提供驱动的fs光源和接收所述接收晶体 输出信号的锁相放大器，所述fs光源和所述锁相放大器还分别与所述数据处 理装置相连。
6、 根据权利要求5所述的同时获取生物组织的结构和成分信息的装置， 其特征在于，所述成分;f企测组件包括其工作频率为0. 1 - 10THz的太赫兹光镨 分析装置。
7、 根据权利要求1 - 6任何一项所述的同时获取生物组织的结构和成分信 息的装置，其特征在于，所述成像组件为超声、X射线、电子计算机断层扫描、 磁共振、正电子发射断层、单光子发射断层或功能磁共振成像装置中的一种。
8、 根据权利要求7所述的同时获取生物组织的结构和成分信息的装置， 其特征在于，所述超声成像装置包括设置在所述检测平台上、与所述检测点处 于同一直线上以及发射超声波并接收由位于所述检测点的物体所反射的回波 的超声探头、超声信号发生器和超声信号接收器；所述超声信号发生器和超声 信号接收器分别与所述超声探头和所述数据处理装置相连；所述移动装置与所 述超声探头连接，用于调节所述超声探头在所述^r测平台上的位置。
9、 根据权利要求8所述的同时获取生物组织的结构和成分信息的装置， 其特征在于，所述超声成^f象装置包括其工作频率"^殳置在10MHz - 30MHz的高频 超声成像装置。
10、 一种同时获取生物组织的结构和成分信息的方法，其特征在于，包括 如下步骤调节成〗象组件或/和成分4全测组件^f吏所述成^象组件和成分检测组件的^r测 点对准设置在安装上述组件的检测平台上的标记点；微调所述成像组件和成分检测组件对准生物组织的同 一点，控制其分别获取生物组织的结构信息和成分信息；移动待冲企测生物组织的位置，4吏生物组织位于上述4企测点的部分不同而同 时得到不同位置的结构信息和成分信息。
全文摘要
本发明涉及一种同时获取生物组织的结构和成分信息的装置，包括用于获取生物组织结构的成像组件和用于获取生物组织成分信息的成分检测组件，还包括安装所述成像组件和成分检测组件并使所述组件的检测其检测区域内同一空间位置的检测平台以及分别与所述成像组件和成分检测组件连接并处理其检测数据的数据处理装置。本发明还揭示了一种同时获取生物组织的结构和成分信息的方法。实施本发明的一种同时获取生物组织的结构和成分信息的装置及方法，具有以下有益效果可以同时获得样品的成分和结构信息，并且通过对两种信息进行配准和融合的数据处理，最终获得全面反映生物组织特性的双模信息。
文档编号G01N5/00GK101451942SQ200810241739
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者张元亭, 牛丽丽, 郑海荣, 雷 金, 龚小竞 申请人:深圳先进技术研究院