評估組織的系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請?zhí)枮?00980122516. 0的名稱為"評估組織的系統(tǒng)和方法"的發(fā)明專 利申請的分案申請，原申請的申請日是2009年05月15日。
[0002] 政府咨助聲明
[0003] 本發(fā)明在國家健康學(xué)會授予的No. R01EB000720的資助下，得到政府支持縮減為 實踐，因此，政府對本發(fā)明擁有一定權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及定量評估腫瘤的系統(tǒng)和方法。更具體地說，本發(fā)明包括使用壓電傳感 器檢測腫瘤的存在，確定其尺寸，確定其位置，辯識其類型，確定其侵入性和/或確定其惡 性。
【背景技術(shù)】
[0005] 成功治療癌的關(guān)鍵是早期發(fā)現(xiàn)。然而，早期發(fā)現(xiàn)和辯識癌的生長嚴(yán)重地依賴傳感 器的能力和篩選技術(shù)。目前有各種不同的傳感器和工具用于研究軟組織的機(jī)械性質(zhì)和作出 軟組織的圖像。
[0006] 通常的軟組織傳感器的其中一種形式是利用一個引起位移的外力施加器和一個 測量阻力的外部位移計[1，2]。該外力施加器可以是液壓的或壓電的，而該外部位移計可以 為光學(xué)的或壓電的。然后，這些傳感器在工作過程中需要提取或破壞組織樣品，因為必需切 割樣品，以便與傳感器一致和裝在傳感器內(nèi)。示例性的軟組織成像工具包括計算機(jī)X射線 斷層術(shù)（CT)、磁共振成像（MRI)、超聲（US)、T-掃描（TS)和超聲彈性術(shù)（UE) [3-8]。CT掃 描[10]利用計算機(jī)軟件獲取360度X射線圖和重構(gòu)3D組織結(jié)構(gòu)。MRI掃描[11]利用強(qiáng) 大的磁場和無線電波形成診斷用的組織圖像。US掃描[12]通過組織傳遞高頻波和撲捉回 聲形成組織結(jié)構(gòu)圖像。TS[7]測量低電平生物電流，以產(chǎn)生組織的電阻抗性質(zhì)的實時圖像。 UE掃描[14]評估在固定的機(jī)械應(yīng)力下通過組織的回聲時間，并將它與沒有應(yīng)力時的相同 的組織的回聲時間比較。然后得到組織的應(yīng)變圖，由該圖利用通常的轉(zhuǎn)換技術(shù)形成2D的彈 性模量分布圖像。
[0007] 觸覺成像[12]工具，例如早期胸部腫瘤X射線測定法使用陣列壓力傳感器探測空 間的組織剛度變化。目前，早期胸部腫瘤X射線測定法在乳房癌篩選中使用，以便通過組織 密度對比發(fā)現(xiàn)不正常的組織。早期胸部腫瘤X射線測定法是FDA唯一批準(zhǔn)的乳房癌篩選方 法，它的一般靈敏度為85%，但在無線電密致乳房中減小至65% [9]。然而，在這些篩選過 程中，假的正像的發(fā)生率高。事實上只有大約15-30%的乳房活組織檢查得出惡性的診斷。 雖然篩選40歲以上的婦女是有效的，但篩選乳房組織密致的婦女，早期胸部腫瘤X射線測 定法不是有效的。另外，早期胸部腫瘤X射線測定法和其它觸覺成像工具不能探測腫瘤界 面性質(zhì)。
[0008] 由于隱藏不正常生長的許多組織在壓縮下比周圍的正常組織堅硬，在發(fā)現(xiàn)和診斷 不正常組織中，發(fā)現(xiàn)組織堅硬度的改變?nèi)找娉蔀橹匾囊蛩?。例如，乳房癌為鈣化的組織， 它比正常的乳房組織堅硬7倍多[10-13]。同樣，血小板內(nèi)襯的血管也比正常的健康的血管 堅硬。
[0009] 美國專利No. 7497133公布了一種可用于通過測量組織的堅硬度探測腫瘤的壓電 指形傳感器。從腫瘤的剪切模量與彈性模量的比（G/E)或通過利用二個壓電指形傳感器， 一個用于推，一個用于測量由推產(chǎn)生的腫瘤運(yùn)動，直接靈敏地測量腫瘤的可動性，可得到腫 瘤的可動性。該專利得出結(jié)論，在腫瘤區(qū)G/E之比高于周圍正常組織的G/E比，并且癌區(qū) 域的高得多的G/E比表示與周圍的正常組織比較，在剪切下的腫瘤可動性比壓縮下的該比 小。雖然，病人推斷這些測量可進(jìn)行非侵入性乳房癌惡性的篩選，但沒有說明確定惡性，侵 入性或腫瘤類型的方法。
[0010] 結(jié)果，很需要精確地和不侵入地探測和辯識腫瘤。還需要開發(fā)一種探測腫瘤堅硬 度度，以確定腫瘤的類型、惡性和/或侵入性的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 在第一方面中，本發(fā)明涉及測量彈性模量和剪切模量的傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 傳感器，加電壓至第二個電極的裝置，與所述傳感器連接的測量裝置和可自動或手動使所 述傳感器定位的定位裝置。
[0012] 在另一方面中，本發(fā)明涉及評估組織的方法。該方法包括加一組不同大小的力至 組織的一個或多個位置，檢測由于所述的所加的力引起的相應(yīng)位移，確定作用在組織的這 些位置上的力-該力是所加電壓引起的力和由組織變形產(chǎn)生的反力的綜合，得到多個位置 的彈性模量和/或剪切模量，從所述的彈性和/或剪切模量確定不正常生長的侵入性，腫瘤 的惡性或存在。
[0013] 在另一方面中，本發(fā)明提供在組織樣件中測量不正常組織的尺寸和/或位置的能 力。通過使用具有多個不同寬度的PEFS的PEFS陣列測量組織樣件，即組織接觸區(qū)域的彈 性模量和厚度可確定不正常組織的尺寸和/或位置。通過利用不同寬度，因而是不同的深 度靈敏度的PEFS測量組織樣件的彈性模量，可以計算不正常組織的彈性模量和厚度與周 圍組織的彈性模量。從這些計算可以確定在組織樣件內(nèi)不正常組織的尺寸以及不正常組織 的深度和位置。
【附圖說明】
[0014] 圖1(a)為包括至少一個PEFS，一個測量裝置和一個自動的傳感器定位裝置的 PEFS系統(tǒng)的簡圖；
[0015] 圖I (b)為PEFS的相片；
[0016] 圖2(a)為驅(qū)動電極和測量電極在壓電層頂面上的PZT/不銹鋼懸臂的簡圖；
[0017] 圖2 (b)為帶有驅(qū)動PZT層和測量PZT層與L形懸臂的PZT/不銹鋼懸臂的簡圖；
[0018] 圖2 (c)為帶有驅(qū)動PZT層和測量PZT層與U形懸臂的PZT/不銹鋼懸臂的簡圖；
[0019] 圖2 (d)為帶有驅(qū)動PZT層和測量PZT層與方形懸臂的PZT/不銹鋼懸臂的簡圖；
[0020] 圖3為PEFS陣列的簡圖；
[0021] 圖4(a)為利用PEFS作標(biāo)準(zhǔn)的壓縮測量以確定彈性模量的簡圖；
[0022] 圖4 (b)為利用PEFS作壓痕的壓縮測量以確定彈性模量的簡圖；
[0023] 圖4(c)為利用PEFS作標(biāo)準(zhǔn)的剪切測量以確定剪切模量的簡圖；
[0024] 圖4 (d)為利用PEFS作壓痕的剪切測量的簡圖；
[0025] 圖5 (a)為放置壓電懸臂作彈性模量測量的光滑夾雜物的相片；
[0026] 圖5(b)為放置壓電懸臂作與皺紋的方向垂直的剪切測量的的粗糙夾雜物的相 片；
[0027] 圖6 (a)為作為在由C145作成的光滑（完全方形）和粗糙（開放的圓）夾雜物的 X方向上離夾雜物的中心的距離的函數(shù)的彈性模量的圖形；
[0028] 圖6 (b)為作為在由C145作成的光滑（完全方形）和粗糙（開放的圓）夾雜物的 y方向上離夾雜物產(chǎn)的中心的距離的函數(shù)的彈性模量的圖形；
[0029] 圖7 (a)為利用PEFS加與皺紋的方向平行（X方向）的剪切力的簡圖；
[0030] 圖7 (b)為利用PEFS加與皺紋的方向垂直（y方向）的剪切力的簡圖；
[0031] 圖8 (a)為作為在由C145作成的光滑（完全方形）和粗糙（開放的圓）夾雜物的 X方向上離夾雜物的中心的距離的函數(shù)的剪切模量的圖形；
[0032] 圖8 (b)為作為在由C145作成的光滑（完全方形）和粗糙（開放的圓）夾雜物的 y方向上離夾雜物的中心的距離的函數(shù)的剪切模量的圖形；
[0033] 圖9 (a)為作為在由C54、C92和C145作成的粗糙和光滑夾雜物的X方向的距離的 函數(shù)的G/E比的圖形；
[0034] 圖9 (b)為作為在由C54、C92和C145作成的粗糙和光滑夾雜物的y方向的距離的 函數(shù)的G/E比的圖形；
[0035] 圖10 (a)為作為由C92作成的粗糙和光滑夾雜物的夾雜物深度的函數(shù)的彈性模量 的圖形；
[0036] 圖10 (b)為作為由C92作成的粗糙和光滑夾雜物的夾雜物深度的函數(shù)的剪切模量 的圖形；
[0037] 圖10 (c)為作為由C92作成的粗糙和光滑夾雜物的夾雜物深度的函數(shù)的G/E比的 圖形；
[0038] 圖11為掃描路徑的簡圖；
[0039] 圖12為作為Θ = 〇°、30°、60°、90°時離夾雜物中心的距離的函數(shù)的G/E比的 圖形；
[0040] 圖13(a)為在插入圖中表示的作為在各種深度嵌入的作模型的粘土夾雜物的深 度的函數(shù)的彈性模量的圖形；
[0041] 圖13 (b)為作為PEFS接觸區(qū)域的寬度的函數(shù)的深度靈敏度極限的圖形；
[0042] 圖14(a)為在嵌入在明膠中的夾雜物的中心之上的進(jìn)行同步的楊氏模量測量的 二個PEFS的簡圖；
[0043] 圖14(b)為作為夾雜物深度的函數(shù)的彈性模量的圖形；
[0044] 圖15(a)為在嵌入在明膠基塊中的深度的夾雜物的中心之上的進(jìn)行彈性模量測 量的PEFS的簡圖；
[0045] 圖15(b)為作為夾雜物深度的函數(shù)的彈性模量的圖形；
[0046] 圖16(a)為作為乳房組織的距離的函數(shù)的彈性模量（E)和剪切模量（G)的輪廓的 圖形；
[0047] 圖16(b)為作為乳房組織的距離的函數(shù)的剪切模量與楊氏模量的比（G/E)的圖 形；
[0048] 圖17 (a)為包含侵入性的導(dǎo)管惡性腫瘤的切開的乳房組織的相片；
[0049] 圖17(b)為圖17(a)所示的切開的乳房組織的彈性模量（E)的掃描。在腫瘤處的 彈性模量比周圍組織的高；
[0050] 圖17(c)為圖17(a)所示的切開的乳房組織的剪切模量（G)的掃描。在腫瘤處的 剪切模量比周圍組織的高；
[0051] 圖17 (d)為圖17 (a)所示的切開的乳房組織的G/E的掃描G/E值> 0. 7表示邊界 粗糙，是典型的侵入性的導(dǎo)管惡性腫瘤；
[0052] 圖18 (a)為包含原位導(dǎo)管惡洪瘤的切開的乳房組織的相片；
[0053] 圖18(b)為圖18(a)所示的切開的乳房組織的彈性模量（E)的掃描。在腫瘤處的 彈性模量比周圍組織的高；
[0054] 圖18(c)為圖18(a)所示的切開的乳房組織的剪切模量（G)的掃描。在腫瘤處的 剪切模量比周圍組織的高；
[0055] 圖18 (d)為圖18 (a)所示的切開的乳房組織的G/E的掃描。腫瘤G/E值約為0. 3 與乳管內(nèi)形成的非侵入性的導(dǎo)管惡性腫瘤一致；
[0056] 圖19(a)為包含增生的切開的乳房組織的相片；
[0057] 圖19(b)為圖19(a)所示的切開的乳房組織的彈性模量（E)的掃描。在腫瘤處的 彈性模量比周圍組織的高；
[0058] 圖19(c)為圖19(a)所示的切開的乳房組織的剪切模量（G)的掃描。在腫瘤處的 剪切模量比周圍組織的高；
[0059] 圖19(d)為圖19(a)所示的切開的乳房組織的G/E的掃描，表示G/E的值大約為 0. 5 ；
[0060]圖20為作為病人年齡的函數(shù)的正常的乳房組織的彈性和剪切模量的圖形；
[0061] 圖21 (a)為乳房切除術(shù)的組織樣品的E圖；
[0062] 圖21 (b)為乳房切除術(shù)的組織樣品的G圖；
[0063] 圖21 (c)為乳房切除術(shù)的組織樣品的G/E圖；
[0064] 圖22為使用PEFS得到的腫瘤尺度測量對由病理學(xué)得到的腫瘤尺寸測量的圖形；
[0065] 圖23 (a)為4X 1壓縮的PEF陣列原型，在她的背上有進(jìn)行在病人右乳房上測量的 機(jī)器人臂；
[0066] 圖23 (b)為圖23 (a)的PEFS陣列的相片；
[0067] 圖24為作為在組織上的位置的函數(shù)的彈性模量的圖形；
[0068] 圖25為深度靈敏度對寬度/PEFS或PEFS陣列的接觸面積的圖形；
[0069] 圖26 (a)表示要裝配的4個PEFS陣列；
[0070] 圖26 (b)表示夾緊在夾持器中的位置上的圖26 (a)的PEFS陣列；
[0071] 圖26(c)表示圖26(b)的夾持器的頂部；
[0072] 圖26 (d)表示圖26 (b)的夾持器的底部；
[0073] 圖27 (a)為表示利用具有第一深度靈敏度Da的第一 PEFS測量的組織樣品的彈性 模量圖形；
[0074] 圖27 (b)為表示利用具有第一深度靈敏度Db的第一 PEFS測量的組織樣品的彈性 模量^的圖形；
[0075] 圖27 (c)為表示利用具有第一深度靈敏度De的第一 PEFS測量的組織樣品的彈性 模量Ec的圖形；
[0076] 圖28為表示利用PEFS檢查具有頂部皮膚層和下部脂肪層的組織模型的圖；
[0077] 圖29(a)為表示利用2個PEFS探測以確定在乳房組織樣品中的不正常組織的深 度的組織樣品