一種基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于醫療設備技術領域，具體為一種基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統。本發明利用生物組織的自體熒光，通過分析熒光壽命的變化，探測細胞癌變是否發生，從而作為癌癥診斷的依據。系統通過光纖導入，可通過內窺鏡導入病變部位，也可以將光纖對準組織切片進行熒光壽命探測，對多種癌癥進行早期檢查和手術切緣判斷，在生物醫學和臨床診斷等領域具有廣泛的應用前景。本發明癌癥診斷系統的優點是：原理簡單，操作簡便，檢測速度快，靈敏度高，特異性高，有利于實現臨床診斷中快速準確地診斷宮頸癌、腸癌或肺癌。本發明對組織癌變后熒光壽命變化明顯的多種癌癥種類均有效。
【專利說明】
一種基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統
技術領域
[0001] 本發明屬于醫療設備技術領域，具體涉及一種癌癥診斷系統。
【背景技術】
[0002] 目前，癌癥的死亡率居高不下，成為威脅人類健康的第一殺手。據統計，2012年全 球范圍內新增的癌癥病例1410多萬，820萬人死于癌癥。其中宮頸癌占女性癌癥死亡率第四 位;腸癌占男性死亡率第四位，女性死亡率第三位;肺癌占男性死亡率第一位，女性死亡率 第二位。其死亡率之所以居高不下，很大程度上是由于在明確診斷時已進入了中晚期，失去 了早期治療的機會。早期診斷是影響癌癥生存時間長短、生活質量高低等預后指標最重要 的因素，也是早期治療的前提。利用自體熒光壽命檢測技術可以為癌癥的早期診斷提供依 據，熒光壽命對熒光團所處的微環境非常敏感，能夠對離子濃度、pH值等生理參數進行定量 測量，且不受激發光強度變化、光漂白等因素的影響。因此通過探測被檢生物樣本的自體熒 光壽命可以獲得關于生物組織新陳代謝等微環境變化的信息，實現對癌癥高靈敏度的診 斷。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種檢測靈敏度高的癌癥診斷系統，以實現對宮頸癌、腸 癌、肺癌等多種癌癥的早期診斷，提高準確性。
[0004] 本發明提供的癌癥診斷系統，是基于被檢生物樣本自體熒光壽命的。其通過激光 光源、熒光壽命信號采集裝置和計算機處理，獲得自體熒光壽命信息。具體結構如圖1所示。 該裝置由激光光源1，反射鏡組2、3,雙色鏡4,第一會聚透鏡組5,掃描集成小型化模塊或光 纖探針6,第二反射鏡8,第二會聚透鏡組9,濾色片10,探測器11，計算機12,顯示屏13,同步 信號14組成。其中： 激光光源1，用于產生對被檢生物樣本中自體熒光物質的激發光； 反射鏡組2、3，與所述激光光源1連接，用于將所述的激發光調整至雙色鏡4; 雙色鏡4，與所述反射鏡組連接;雙色鏡4用于將激發光和被檢生物樣本的自體熒光分 離； 第一會聚透鏡組5，與所述雙色鏡4連接，用于會聚所述激發光和自體熒光； 掃描集成小型化模塊或光纖探針6，與所述第一會聚透鏡組5連接，用于實現對被檢生 物樣本的掃描或對活體組織的內窺檢查； 第二反射鏡8，與所述雙色鏡4連接，用于反射被檢樣本的自體熒光至濾色片10; 第二會聚透鏡組9，用于會聚由第二反射鏡8反射的自體熒光至濾色片10; 濾色片10，與所述第二會聚透鏡組9連接，用于濾掉激發光； 光電探測器11，與所述濾色片10連接，用于探測被檢生物樣本的自體熒光信息； 計算機12,與所述掃描集成小型化模塊6、光電探測器11以及同步信號14連接。計算機 12安裝有:時間相關單光子數據采集卡，激光和光電探測器功率控制卡，掃描模塊控制卡等 硬件模塊;還安裝有：熒光壽命數據采集和處理軟件，激光和光電探測器功率控制軟件，掃 描模塊控制軟件等軟件模塊。其中時間相關單光子數據采集卡用于獲取并處理來自于光電 探測器11的信號;激光和光電探測器控制卡與激光光源1以及光電探測器11連接，用于控制 激光光源和光電探測器的輸出功率;掃描模塊控制卡與掃描集成小型化模塊6連接，用于控 制掃描模塊。熒光壽命數據采集軟件用于給出采集指令至采集卡，同時同步呈現采集數據 狀態;熒光壽命數據處理軟件用于處理來自于數據采集軟件的圖像和壽命數據并進行數據 的擬合處理;激光和光電探測器功率控制軟件用于控制激光和光電探測器的開關狀態以及 功率大小;掃描模塊控制軟件用于調整掃描區域，速度等掃描參數，并給出掃描指令。
[0005] 顯示屏13,用于顯示以上相關軟件的操作界面，并呈現采集到的壽命或圖像信息。
[0006] 同步信號14由激發光源輸出，并送入掃描集成小型化模塊6和計算機12,用于同步 觸發掃描信號和時間相關單光子計數器。
[0007] 本發明中，所述激發光源可以采用皮秒脈沖激光器用于對被檢生物樣本淺層組織 中自體熒光物質的單光子激發，也可以采用飛秒脈沖激光器用于對被檢生物樣本深層組織 中自體熒光物質的多光子激發。
[0008] 本發明中，所述激光器波長允許變化范圍從近紫外到近紅外（如320納米-1400納 米），根據被檢生物樣本熒光物質，探測深度要求等選擇不同波長和脈沖寬度進行檢測。
[0009] 本發明中，采用高靈敏度的光電倍增管，光電倍增管陣列，互補金屬氧化物半導體 (CMOS)或電荷耦合元件(CCD)作為光電探測器11，用于探測自體熒光的單光子信號，實現對 弱信號進行高靈敏度的探測。
[0010] 本發明中，計算機12中采用時間相關單光子計數器，對光電探測器檢測的信號進 行熒光壽命的時域測量。
[0011] 本發明中，由第二會聚透鏡組9會聚的自體熒光信號通過濾色片10(截止濾色片） 輸入光電探測器11。
[0012] 本發明中，根據被檢生物樣本中所含成分的不同，對獲得的熒光壽命信息進行單e 指數、雙e指數或多e指數模型的擬合。具體擬合算法公式為：
IU)為激發光激發被檢生物樣本后在時間?檢測到的熒光強度，/2是被檢生物樣本熒 光成分個數，是第i'個焚光壽命成分的壽命大小，ai是第i個焚光壽命成分的相對占比，C是 常數擬合得到的平均壽命心為：
[0013] 本發明中，采用高性能的濾色片對可能透射的激光進行過濾，并過濾掉其他雜散 光，只剩下自體熒光信號進入采集裝置，降低背景影響，提高信噪比。
[0014] 本發明中，被檢生物樣本7可以為生物組織切片，也可以為對活體內組織。
[0015] 本發明中，如果被檢測生物樣本為生物組織切片，則結構6及其連接線可以從系統 中去除，從而得到簡化的診斷系統；如果保留包含自聚焦透鏡結構的掃描集成小型化模塊 及其連接線，則可以實現對被檢測生物組織的熒光壽命成像，可以達到輔助尋找目標位置 的目的；如果是對活體組織的內窺鏡檢查，則可以將結構6及其連接線替換成光纖探針，從 而實現內窺診斷。
[0016] 本發明中，掃描集成小型化模塊主要由自聚焦透鏡、反射鏡和微型電機組成。其 中，自聚焦透鏡用于聚焦激發光于反射鏡;反射鏡與微型電機連接，通過控制微型電機的電 壓等參數來調節反射鏡的旋轉角度，旋轉速度等變量，進而實現激發光對被檢生物樣本不 同區域大小的掃描成像。
[0017] 本發明中，光纖探針主要由單模光纖，多模光纖和小型化連接頭組成。單模光纖用 于引導激發光，多模光纖用于收集自體熒光，小型化連接頭用于連接單模光纖和多模光纖， 從而方便光纖探針進入活體內部進行熒光的激發和采集。
[0018] 本發明中，通過計算機處理得到被檢生物樣本的熒光壽命值。當被檢生物樣本為 人體宮頸組織時，熒光壽命值以1.3-1.7納秒為診斷標準，此診斷值可能因系統不同略有 不同，若樣本的熒光壽命值低于此標準為正常宮頸組織，高于此標準為癌癥宮頸組織。當被 檢生物樣本為人體腸部組織時，則熒光壽命值以1.5-1.9納秒為診斷標準，此診斷值可能因 系統不同略有不同，若樣本的熒光壽命值低于此標準值為腸癌組織，高于此標準值為正常 組織。當被檢生物樣本為人體肺組織時，熒光壽命值以1.7-2.1納秒為診斷標準，此診斷值 可能因系統相應時間不同略有不同，若樣本的熒光壽命值低于此標準診斷為肺癌組織，高 于此標準值為正常肺組織。
[0019]采用本發明裝置，能直接檢測出被檢生物樣本的熒光壽命信息，分別根據宮頸癌、 腸癌或肺癌的熒光壽命診斷標準值，實現對宮頸癌、腸癌或肺癌的診斷。這種癌癥診斷的方 法和裝置的優點是:原理簡單，操作簡便，檢測速度快，靈敏度高，特異性高，有利于實現臨 床診斷中快速準確地診斷宮頸癌、腸癌或肺癌。該方法對組織癌變后熒光壽命變化明顯的 多種癌癥種類均有效，并不局限于實例所列的種類。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明的一種用于癌癥診斷的方法和系統的裝置示意圖。
[0021] 圖2是采用本發明裝置，測得的宮頸組織樣本的壽命信息和組織細胞形態圖。
[0022] 圖3是采用本發明裝置，測得的腸組織和肺組織樣本的壽命信息。
[0023] 圖1中標號：1為激光光源，2，3為反射鏡組，4為雙色鏡，5為第一會聚透鏡組，6為掃 描集成小型化模塊或光纖探針，7為被檢樣本，8為第二反射鏡，9為第二會聚透鏡組，10為濾 色片，11為光電探測器，12為計算機，13為顯示屏，14為同步信號。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖及實施例進一步描述本發明。
[0025] 實施例1，按照圖1制作一臺本發明的結合多光路探測生物樣本自體熒光壽命用于 癌癥診斷的裝置。激發光源1發出皮秒脈沖激光或飛秒脈沖激光;激發光發出的激光經反射 鏡組2和3的反射將激發光調整至雙色鏡4;該雙色鏡4對激發光完全反射;被反射的激光通 過第一會聚透鏡組5的會聚進入掃描集成小型化模塊或光纖探針6;掃描集成小型化模塊或 光纖探針6將會聚后的激發光聚焦于被檢生物樣本上;被檢生物樣本發出的自體熒光通過 掃描集成小型化模塊或光纖探針6,再經過第一會聚透鏡組5的會聚于雙色鏡4;雙色鏡4將 自體熒光完全透射;透射后的自體熒光由第二反射鏡8的反射;反射后的自體熒光經過第二 會聚透鏡組9的會聚于濾色片10;濾色片10濾掉可能存在的被雙色鏡4透射的激發光；自體 熒光被光電探測器11探測;與此同時激發光的同步信號14傳輸到主計算機12的數據采集板 中，經光電探測器11放大后的信號經設有時間相關單光子計數器的主計算機12處理，最后 通過熒光壽命處理軟件擬合出熒光壽命信息(或熒光壽命圖像信息）。
[0026] 實施例2,按照實施例1實施:首先對人體宮頸組織進行熒光壽命成像的測量，系統 中的結構6為包含自聚焦透鏡結構的掃描小型化模塊及其連接線。使用50MHz、405 nm波長 的皮秒脈沖激光對被檢宮頸組織的熒光物質進行激發，激光聚焦尺寸約為1-30微米，在熒 光采集光路中的濾色片為430 nm高通的截止濾波片。經光電倍增管11放大后的信號由設有 時間相關單光子計數器的主機12處理后，通過熒光壽命處理軟件擬合熒光壽命值并獲得熒 光壽命圖像的結果，如圖2所示。
[0027] 通過使用本發明方法和裝置對人體宮頸組織進行熒光壽命成像測量的結果如圖2 所示，圖2的左、右兩幅圖分別為宮頸組織的熒光壽命成像圖和熒光壽命衰減曲線。使用本 發明裝置進行熒光壽命成像的測量結果能夠清晰的顯示正常和癌變宮頸組織在形態和結 構上的區別。經過熒光壽命軟件處理后得到的熒光壽命值分別為1.28納秒和2.03納秒。使 用本發明方法中對于診斷宮頸癌的熒光壽命診斷標準，針對該系統而言，診斷標準為1.60 納秒，樣本的熒光壽命值低于此標準為正常宮頸組織，高于此標準為癌癥宮頸組織。因此可 診斷出1.28納秒為正常和2.03納秒為癌變宮頸組織，與病理檢查結果一致。該方法取得了 與病理檢測一致的結果，但是比傳統病理檢測方法迅速、敏感。
[0028]實施例3,按照實施例1實施:對人體腸組織進行熒光壽命的測量。使用50MHz、405 nm波長的皮秒脈沖激光對被檢腸組織的熒光物質進行激發，在熒光采集光路中的濾色片為 430 nm高通的截止濾波片。經光電倍增管11放大后的信號由設有時間相關單光子計數器的 主機12處理后，通過熒光壽命處理軟件擬合后的熒光壽命衰減曲線如圖3(左)所示，得到的 熒光壽命值分別為1.49納秒和1.95納秒。使用本發明方法中診斷腸癌的熒光壽命診斷標 準，針對該系統而言，診斷標準為1.67納秒，樣本的熒光壽命值低于此標準值為腸癌組織， 高于此標準值為正常組織。因此可診斷出1.95納秒為正常和1.49納秒為癌變腸組織，與病 理檢查結果一致。
[0029]實施例4，按照實施例1實施:對人體肺組織進行熒光壽命的測量。使用50MHz、405 nm波長的皮秒脈沖激光對被檢肺部組織的熒光物質進行激發，在熒光采集光路中的濾色片 為430 nm高通的截止濾波片。經光電倍增管11放大后的信號由設有時間相關單光子計數器 的主機12處理后，通過熒光壽命處理軟件擬合后的熒光壽命衰減曲線如圖3(右)所示，得到 的熒光壽命值分別為1.61納秒和2.15納秒。使用本發明方法中診斷肺癌的熒光壽命診斷標 準，針對該系統而言，診斷標準為1.92納秒，樣本的熒光壽命值低于此標準診斷為肺癌組 織，高于此標準值為正常肺組織。因此可診斷出2.15納秒為正常和1.61納秒為癌變肺組織， 與病理檢查結果一致。
[0030]本發明中的實施例僅用于對本發明進行說明，并不構成對權利要求范圍的限制， 本領域內技術人員可以想到的其他實質上等同的替代，均在本發明保護范圍內。
【主權項】
1. 一種基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統，其特征在于，由激光光源，反射鏡組，雙色 鏡，第一會聚透鏡組，掃描集成小型化模塊或光纖探針，第二反射鏡，第二會聚透鏡組，濾色 片，探測器，計算機，顯示屏，同步信號組成;其中： 所述激光光源，用于產生對被檢生物樣本中自體熒光物質的激發光； 所述反射鏡組，與所述激光光源連接，用于將所述的激發光調整至雙色鏡； 所述雙色鏡，與所述反射鏡組連接;雙色鏡用于將激發光和被檢生物樣本的自體熒光 分離； 所述第一會聚透鏡組，與所述雙色鏡連接，用于會聚所述激發光和自體熒光； 所述掃描集成小型化模塊或光纖探針，與所述第一會聚透鏡組連接，用于實現對被檢 生物樣本的掃描或對活體組織的內窺檢查； 所述第二反射鏡，與所述雙色鏡連接，用于反射被檢樣本的自體熒光至濾色片； 所述第二會聚透鏡組，用于會聚由第二反射鏡反射的自體熒光至濾色片； 所述濾色片，與所述第二會聚透鏡組連接，用于濾掉激發光； 所述光電探測器，與所述濾色片連接，用于探測被檢生物樣本的自體熒光信息； 所述計算機，與所述掃描集成小型化模塊、光電探測器以及同步信號連接;計算機安裝 有硬件模塊：時間相關單光子數據采集卡、激光和光電探測器功率控制卡、掃描模塊控制 卡，還安裝有軟件模塊:熒光壽命數據采集和處理軟件、激光和光電探測器功率控制軟件、 掃描模塊控制軟件;其中，時間相關單光子數據采集卡用于獲取并處理來自于光電探測器 的信號;激光和光電探測器控制卡與激光光源以及光電探測器連接，用于控制激光光源和 光電探測器的輸出功率;掃描模塊控制卡與掃描集成小型化模塊連接，用于控制掃描模塊； 熒光壽命數據采集軟件用于給出采集指令至采集卡，并顯示采集狀態；熒光壽命數據處理 軟件用于處理來自于熒光壽命數據采集軟件的圖像和壽命數據;激光和光電探測器功率控 制軟件用于控制激光和光電探測器的開關狀態以及功率大小;掃描模塊控制軟件用于調整 掃描區域、速度這些掃描參數，并給出掃描指令； 所述顯示屏，用于顯示以上相關軟件的操作界面，并顯示出有關數據和圖像信息； 所述同步信號由激發光源輸出，并送入掃描集成小型化模塊和計算機，用于同步觸發 掃描信號和時間相關單光子計數器。2. 根據權利要求1所述的基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統，其特征在于，所述的激發 光源采用高重復頻率的皮秒或飛秒脈沖激光器，其中，皮秒脈沖激光器用于對被檢生物樣 本淺層組織中自體熒光物質的單光子激發，飛秒脈沖激光器用于對被檢生物樣本深層組織 中自體熒光物質的多光子激發。3. 根據權利要求2所述的基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統，其特征在于，所述激光器 的波長允許變化范圍從近紫外到近紅外，根據被檢生物樣本熒光物質、探測深度要求選擇 不同波長和脈沖寬度進行檢測。4. 根據權利要求1、2或3所述的基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統，其特征在于，被檢 生物樣本自體熒光壽命信息根據樣本所含成分不同利用單e指數、雙e指數或多e指數模型 進行擬合。5. 根據權利要求4所述的基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統，其特征在于，根據樣品均 勻性不同，選擇激光器聚焦的范圍從低于1微米到幾百微米。6. 根據權利要求1、2、3或5所述的基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統，其特征在于，所 述被檢生物樣本是生物組織切片或活體內的組織。7. 根據權利要求6所述的基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統，其特征在于，如果被檢測 樣本是生物組織切片，則掃描集成小型化模塊或光纖探針及其連接線從系統中去除，從而 簡化診斷系統;如果這時需要增加成像功能，從而輔助尋找目標位置，則用掃描集成小型化 模塊;如果被檢測樣本是活體組織，則用光纖探針，從而實現活體內窺鏡檢測。8. 根據權利要求1、2、3、5或7所述的基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統，其特征在于， 所述掃描集成小型化模塊主要由自聚焦透鏡、反射鏡和微型電機組成;其中，自聚焦透鏡用 于聚焦激發光于反射鏡;反射鏡與微型電機連接，通過控制微型電機的電壓參數來調節反 射鏡的旋轉角度、旋轉速度，進而實現激發光對被檢生物樣本不同區域大小的掃描成像。9. 根據權利要求8所述的基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統，其特征在于，所述的光纖 探針由一根多模光纖，一根單模光纖和一個小型化連接頭組成。10. 根據權利要求1、2、3、5、7或9所述的基于自體熒光壽命的癌癥診斷系統，其特征在 于，所述的光電探測器是靈敏度高、響應快的光電倍增管、光電倍增管陣列、互補金屬氧化 物半導體或電荷耦合元件。
【文檔編號】G01N21/64GK106092996SQ201610626465
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月3日 公開號201610626465.7, CN 106092996 A, CN 106092996A, CN 201610626465, CN-A-106092996, CN106092996 A, CN106092996A, CN201610626465, CN201610626465.7
【發明人】糜嵐, 王夢妍
【申請人】復旦大學