基于高光谱成像技术的穿刺样本病理分析系统及方法

1.本发明属于病理学辅助系统领域，特别是涉及基于高光谱成像技术的穿刺样本病理分析系统及方法。


背景技术：

2.高光谱成像作为生物医学可视化的一种新兴技术，在生物医学领域的研究正逐渐受到关注。高光谱成像可以捕获不同病理条件下组织的细微光谱差异，提供有关组织生理，形态和生化成分的分析信息，进而为医学分析提供更多辅助信息。
3.目前，穿刺病理学分析对病理医师专业性、经验要求更高，该专业发展很不均衡，需要有辅助设备辅助医生进行分析，以提高在专业医生不足的地区进行穿刺穿刺现场快速病理分析的普及率。高光谱成像仪器在针对医学临床手术得到的穿刺组织分析中尚未有广泛应用，基于高光谱成像技术在内镜超声引导下细针穿刺抽吸/活检术操作现场进行辅助快速穿刺病理分析的硬件系统研究有待开展。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于高光谱成像技术的穿刺样本病理分析系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于高光谱成像技术的穿刺样本病理分析系统，包括：样本获取模块、高光谱成像模块及病理分析模块；其中所述样本获取模块、所述高光谱成像模块及所述病理分析模块依次连接；
6.所述样本获取模块，用于获取穿刺样本；
7.所述高光谱成像模块，用于获取所述穿刺样本的高光谱图像；
8.所述病理分析模块，基于所述高光谱图像，得到高光谱特征信息，以实现穿刺样本病理分析。
9.优选地，所述高光谱成像模块包括：样本放置单元、光路成像单元及图像显示单元；其中所述样本放置单元、光路成像单元及图像显示单元依次连接；
10.所述样本放置单元，用于放置穿刺样本；
11.所述光路成像单元，用于获取所述穿刺样本的高光谱图像；
12.所述图像显示单元，用于显示所述高光谱图像。
13.优选地，所述样本放置单元包括电动载物台和样本分离皿，其中所述样本分离皿放置于所述电动载物台上。
14.优选地，所述光路成像单元包括灰度相机、声光可调谐滤波器、彩色相机、光路调整模块、镜头选择模块、滤光片、宽谱透射光源及声光可调谐滤波器驱动器；
15.其中所述灰度相机、所述声光可调谐滤波器、所述彩色相机、所述光路调整模块、所述镜头选择模块、所述电动载物台、所述滤光片及所述宽谱透射光源通过光路依次连接；所述声光可调谐滤波器驱动器输出端与所述声光可调谐滤波器输入端连接。
16.优选地，所述图像显示单元包括计算机，其中所述计算机分别与所述灰度相机、所述彩色相机、所述电动载物台及所述声光可调谐滤波器驱动器连接。
17.优选地，样本分离皿包括：透明型分离皿、带刻度分离皿、带凹槽分离皿、带微流控阵列分离皿。
18.为实现上述技术目的，本发明提供了一种基于高光谱成像技术的穿刺样本病理分析方法，其特征在于，
19.获取穿刺样本；
20.获取所述穿刺样本的高光谱图像；
21.基于所述高光谱图像，得到高光谱特征信息，以实现穿刺样本病理分析。
22.优选地，获取所述穿刺样本的高光谱成像的过程包括：
23.基于样本分离皿的类型，调整滤光片，其中所述样本分离皿包括：透明型分离皿、带刻度分离皿、带凹槽分离皿、带微流控阵列分离皿；
24.将电动载物台进行移动，其中所述样本分离皿放置于所述电动载物台上；
25.基于移动结果，选择灰度相机，通过所述灰度相机对样本分离皿中的穿刺样本进行拍摄，得到所述穿刺样本的高光谱图像。
26.优选地，得到高光谱特征信息，以实现穿刺样本病理分析的过程包括：
27.对所述高光谱成像进行预处理及标注，得到预处理后的标注高光谱图像；
28.对所述标注高光谱图像进行特征提取，基于提取的特征图像建立样本数据库，基于所述样本数据库，得到高光谱信息，以实现穿刺样本病理分析。
29.本发明的技术效果为：
30.本发明通过样本获取模块，采用穿刺活检术获取穿刺样本；通过高光谱成像模块，获取所述穿刺样本的高光谱图像；通过病理分析模块，基于所述高光谱图像，得到高光谱特征信息，以实现穿刺样本病理分析。通过本发明提出的基于高光谱成像技术的穿刺样本病理分析系统及方法，能够对穿刺样本进行准确的数据分析，能够辅助医生进行病理分析，提高在专业医生不足的地区进行穿刺穿刺现场快速病理分析的普及率。
附图说明
31.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
32.图1为本发明实施例中的系统结构示意图；
33.图2为本发明实施例中的方法流程图；
34.图3为本发明实施例中的可调多功能样本分离皿示意图；
35.附图标记：1-灰度相机、2-声光可调谐滤波器、3-彩色相机、4-光路调整模块、5-镜头切换模块、6-精密三轴电动载物台、7-样本分离皿、8-滤光片、9-透射光源、10-驱动器、11控制计算机、12-样本分离皿侧壁、13-样本分离皿样品台、14-透明型分离皿配件、15-带刻度分离皿配件、16-带凹槽分离皿配件、17-带微流控阵列分离皿配件。
具体实施方式
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
37.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
38.实施例一
39.如图1所示，本实施例中提供一种基于高光谱成像技术的穿刺样本病理分析系统，包括：样本获取模块、高光谱成像模块及病理分析模块；其中样本获取模块、高光谱成像模块及病理分析模块依次连接；
40.样本获取模块，用于获取穿刺样本；
41.高光谱成像模块，用于获取穿刺样本的高光谱图像；
42.病理分析模块，基于高光谱图像，得到高光谱特征信息，以实现穿刺样本病理分析。
43.在一些实施例中，高光谱成像模块包括：样本放置单元、光路成像单元及图像显示单元；其中样本放置单元、光路成像单元及图像显示单元依次连接；
44.样本放置单元，用于放置穿刺样本；
45.光路成像单元，用于获取穿刺样本的高光谱图像；
46.图像显示单元，用于显示高光谱图像。
47.在一些实施例中，样本放置单元包括电动载物台6和样本分离皿7，其中样本分离皿7放置于电动载物台6上。
48.在一些实施例中，光路成像单元包括灰度相机1、声光可调谐滤波器2、彩色相机3、光路调整模块4、镜头选择模块5、滤光片8、宽谱透射光源9及声光可调谐滤波器驱动器10；其中灰度相机1、声光可调谐滤波器2、彩色相机3、光路调整模块4、镜头选择模块5、电动载物台6、滤光片8及宽谱透射光源9通过光路依次连接；声光可调谐滤波器驱动器10输出端与声光可调谐滤波器2输入端连接。
49.在一些实施例中，图像显示单元包括计算机11，其中计算机11分别与灰度相机1、彩色相机3、电动载物台6及声光可调谐滤波器驱动器10连接。
50.在一些实施例中，样本分离皿7包括：透明型分离皿、带刻度分离皿、带凹槽分离皿、带微流控阵列分离皿。
51.本实施例系统具体包括：科学级互补金属氧化物半导体灰度工业相机(灰度相机)1、声光可调谐滤波器2及其驱动器10、彩色电荷耦合元件工业相机(彩色相机)3、光路调整模块4、镜头切换模块5、精密三轴电动载物台6、多功能样本分离皿7、滤光片8、透射光源9以及控制计算机11。透射光源9选择包含可见光-近红外波段的宽谱光源，镜头切换模块5包括微距镜头和显微物镜。
52.本实施例中，透射光源9、滤光片8、微距镜头或显微物镜、光路调整模块4、彩色相机3、声光可调谐滤波器(aotf)2、灰度相机1成光路连接。光路调整模块4整合不同镜头的光路并分出两路光路分别连接到彩色相机3及aotf的输入端。aotf驱动器10的控制输出端连接到aotf的控制输入端；aotf驱动器10的控制输入端连接到控制计算机11的控制输出端。电动载物台6的控制输入端连接到控制计算机11的控制输出端；控制计算机11的控制输出端连接到透射光源9的控制输入端。
53.本实施例中，科学级互补金属氧化物半导体灰度工业相机1的作用在于采集高光谱图像。
54.本实施例中，声光可调谐滤波器2的作用在于接收光路调整模块4的输出光线并为灰度相机1分出指定波长的光。
55.本实施例中，彩色工业相机3的作用在于采集当前视场的彩色图像。
56.本实施例中，光路调整模块4的作用有两个，其一针对显微物镜及微距镜头的不同光路输出，将光路重新调整作为后续光学器件的输入；其二是分光作用，将光线按照指定比例分配到灰度相机1与彩色相机3的两条光路，使得系统可以同时采集样本目标区域的彩色图像和高光谱图像，进一步提高了系统的工作效率。
57.本实施例中，镜头切换模块5的作用是为系统提供宏观成像与微观成像两种方式，宏观微距镜头拍摄样本的整体形态及大体分布，而显微物镜的放大倍数为10倍、20倍以及40倍，可以拍摄样本的微观穿刺、组织等信息；在实际操作时，选择合适的镜头并手动调整光路模块，并通过控制计算机11预览成像效果。将宏观微距镜头及微观的显微物镜相结合，集成到了镜头转换模块，并根据不同镜头的光路构造，在镜头转换模块上增加了光路调整模块，使得光路能够正常工作，同时满足了宏观成像与微观成像的需要。
58.本实施例中，精密三轴电动载物台6的作用在于可以实现精确位移且记录位置。可以通过控制计算机控制电动载物台在xyz三个方向移动；同时，载物台上设计了多个样本分离皿放置卡槽，便于临床医师同时观察多个穿刺样本或者配合多功能分离皿配件观察同一样本的不同表面特征。
59.本实施例中，多功能样本分离皿7的作用是将穿刺样本固液分离，样本分离皿由内部的突起平台与外侧的皿边组成，中间的突起平台用于放置穿刺样本，穿刺样本需要经过特定溶液冲刷才可以进行下一步处理，经过冲刷后，固体物放置在中央样品台上观察或者拍摄图像，样本冲洗液流到四周槽中以备收集，分离皿一角做了漏嘴设计，方便将样本冲洗液倒出并进行下一步的检测，而平台上的样本可以更加清晰的进行宏观的肉眼观察或者采集宏观/微观的高光谱图像数据，并衔接后续的图像处理。考虑到实际穿刺组织并不完全是完整的，存在细小样本碎屑，本发明设计了一种用于收集细小组织的样本刷，刷子头部细小柔软，可以将细小样本扫至收集装置且不损坏样本。
60.如图3所示，多功能样本分离皿7，样本分离皿的设计充分考虑到了图像采集的需要及临床医师处理样本的需要，中间的样本台以及四周的槽便于固体样本的放置及液体样本的保存，固体样本放置于样本台上也便于图像采集时视场的选择。图中空白样本分离皿配件14是多功能样本分离皿最基础的形式，主要用于彩色图像/高光谱图像采集；带刻度样本分离皿配件15主要用于宏观观察，可以初步估计样本量及尺寸，配合滤光片的使用，可以对样本是否有效采集做初步判断；带凹槽样本分离皿配件16可以将固体样本分离开，避免固体样本出现粘连、重叠、缠绕等情况，影响宏观观测及图像采集；带微流控阵列样本分离皿配件17可以捕获特定种类穿刺细胞，根据阵列形式不同，可以捕获血穿刺中的血细胞、肿瘤穿刺中的肿瘤细胞等。多功能样本分离皿使用方法极为简单，只需要将配件套在中间凸起的平台上即可。配合这些样本台配件，临床医师可以观察到更多样本信息。图3正视图右上角的漏嘴设计便于样本冲刷后，样本冲洗液的倾倒。
61.本实施例中，滤光片8的作用在于可选择将透射光源9激发的光源分出指定波长，
便于临床医师对样本进行初步的直观观察，滤光片的波长由样品中核心组织的光学吸收特性决定。在光源和载物台中间加入了滤光片的设计，该设计根据不同核心样本的光谱吸收特点，从透射光源中分离出特定波长的光，在宏观条件下配合临床医师肉眼观察样本中不同物质的大体分布特征，并对样本分离皿中的穿刺样本进行初步操作。
62.本实施例中，透射光源9的作用在于为样本提供较大范围波长的激发光源。采用宽谱光源，可以从可见光波段覆盖到近红外波段，相应的微距镜头、显微物镜以及灰度/彩色相机同样可以覆盖到近红外波段，利用高光谱成像技术的三维联合空间-光谱信息，在更宽光谱下捕获不同病理条件下穿刺组织的细微光谱差异，提供有关组织生理，形态和生化成分的诊断信息，进而辅助临床医师的病理诊断。
63.本实施例中，声光可调谐滤波器驱动器10的作用在于输出电调谐信号控制声光可调谐滤波器2通过光的波长范围，并与控制计算机11对接。声光可调谐滤波器(aotf)及灰度相机，都可以覆盖到第一近红外波段，与宽谱光源匹配，可采集可见光波段及近红外波段的高光谱图像，采集图像信息更加丰富。
64.本实施例中，控制计算机11的作用在于提供一个软件界面实时预览图像，操作人员可以在软件中实现与硬件的交互，还为各图像处理方法提供算力与存储支持。
65.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
66.本实施例设计的成像系统可以采集可见光波段到近红外波段的高光谱图像，并且同时配备了宏观微距镜头以及微观显微物镜，满足了宏观成像及微观成像需要，高光谱图像所提供的丰富光谱特性可以对样本进行准确的数据分析以及辅助医师进行快速病理评估，提高穿刺样本满意程度和诊断效能。
67.本实施例所设计的样本分离皿及其配件能够充分满足临床医师对样本尺寸、形态、组织分布等宏观观察任务，并且能够方便医师进行穿刺样本的固体组织和穿刺冲洗液的分离，以及对固液的分别后续处理。
68.实施例二
69.如图2所示，为解决技术问题，本实施例提供了一种基于高光谱成像技术的穿刺样本病理分析方法，其特征在于，
70.获取穿刺样本；
71.获取穿刺样本的高光谱图像；
72.基于高光谱图像，得到高光谱特征信息，以实现穿刺样本病理分析。
73.在一些实施例中，获取穿刺样本的高光谱成像的过程包括：基于样本分离皿(7)的类型，调整滤光片(8)，其中所述样本分离皿(7)包括：透明型分离皿、带刻度分离皿、带凹槽分离皿、带微流控阵列分离皿；将电动载物台6进行移动，其中样本分离皿7放置于电动载物台6上；基于移动结果，选择灰度相机1，通过灰度相机1对样本分离皿7进行拍摄，得到穿刺样本的高光谱图像。
74.本实施例中，根据观察或者图像采集需要，选择合适的分离皿配件安装在样本台上；将穿刺样本放置在样本台上；临床医师对样本进行冲刷操作，剩余固体样本放置于样本台上，冲洗得到的样本冲洗液经由漏嘴倾倒于试管中，以备后续相关检测；
75.本实施例中，进行宏观肉眼观测时，切换滤光片获得需要波长的光，镜头选择微距镜头，调整完光路后启动高光谱成像系统(启动光源、aotf及其驱动器、彩色相机及灰度相
机)。调整载物台至合适的空间位置，临床医师可以直接通过肉眼或者计算机屏幕来观察样本；与此同时，可以替换不同的分离皿配件来观察样本的宏观特征；进行数据采集时，将滤光片调整至空白，并选择透明分离皿配件。通过计算机选择灰度相机/彩色相机，控制载物台在xyz三个方向移动选择合适的视场进行图像拍摄。
76.在一些实施例中，得到高光谱信息，以实现穿刺样本病理分析的过程包括：对高光谱成像进行预处理及标注，得到预处理后的标注高光谱成像；对标注高光谱成像进行特征提取，基于提取的特征图像建立样本数据库，基于样本数据库，得到高光谱信息，以实现穿刺样本病理分析。
77.本实施例中，对采集的彩色图像/高光谱图像数据做后续的图像处理，包括：1，数据预处理：消除光路杂质及背景噪声的影响；2，图像标注：标记出视场中的核心组织部分；3，图像分析算法：送入分类/分割网络获取图像特征表示。
78.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。