一种基于自体荧光的乳腺肿瘤检测系统

1.本发明涉及医疗检测领域，特别是涉及生物组织光谱检测领域。


背景技术：

2.荧光检测法是近年来持续发展的肿瘤组织甄别检测方法之一，其可以分为自体荧光检测法和荧光探针检测法。其中，自体荧光法是将特定波长激发光作用于生物组织上，激发内源性荧光基团分子进入激发态，再通过辐射驰豫过程，释放出光子最终回到基态。由于组织中存在多种内源性荧光基团，其在正常组织和肿瘤组织中的占比以及荧光特性均有所差异，因此可以通过探测组织产生的自体荧光的荧光光谱或者荧光寿命来对正常组织和肿瘤组织进行甄别判断。
3.但是，由于组织内源性荧光基团复杂多样，同一组织在不同波长的激发光下所获得的自体荧光在光谱特征峰分布还是荧光寿命上都存在较大差异，因此针对具体的组织确定合适的激发光波长对于自体荧光法至关重要。目前，采用自体荧光法对肿瘤组织进行甄别已经有不少报道，但是针对乳腺肿瘤进行荧光检测的研究较少。
4.除此之外，由于组织自身的荧光寿命较短，在现有的高性能荧光光谱系统中往往需要进行高分辨的瞬态测量才能获得较准确的荧光寿命。但是该方法需要使用皮秒级或飞秒级的激光作为光源，并利用时间相关单光子计数器或泵浦-探测等技术进行测量，从而整个系统需要消耗巨大的成本、体积也相对较大，难以推广应用，且难以适应移动式测量。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的在于，提供一种成本低、小型化且特异性适用于乳腺肿瘤组织甄别检测的基于自体荧光的乳腺肿瘤检测系统。
6.一种基于自体荧光的乳腺肿瘤检测系统，包括激发光源、光传导单元单元、瞬态探测单元单元和数据采集处理单元；其中所述激发光源产生脉宽为百皮秒量级、重复频率为千赫兹量级的紫外激发光；所述光传导单元将所述激发光传送并照射待检组织，待检组织被激发产生的自体荧光信号通过所述光传导单元传送至瞬态探测单元；所述瞬态探测单元包括响应时间在亚纳秒级的高速响应探测器，所述高速响应探测器将所述光传导单元回传的荧光信号转换为电信号；所述数据采集处理单元包括数据采集器和荧光寿命拟合模块，其中所述数据采集器的带宽至少为1ghz，采样速率至少为4gs/s，存储深度至少为1mpts，其将所述高速响应探测器输出的电信号转化为数字信号；所述荧光拟合模块对所述数字信号进行卷积拟合处理获得所述自体荧光信号的荧光寿命。
7.本发明所述的乳腺肿瘤检测系统，通过激发光源、高速响应探测器和数据采集器以及卷积拟合处理的结合实现了用更低成本和小型化的设施对荧光寿命进行精确采集和计算，具有成本低、效果好、易普及的优点。
8.进一步地，所述检测系统中的卷积拟合处理的公式为：
[0009][0010]
其中
[0011][0012]
式中，t和t'均为时间，b为高斯型响应函数的归一化因子，w为系统的响应特征时间，τr为荧光上升沿特征时间，a0和t0分别为荧光强度和时间的坐标平移量，k为荧光衰减过程的数量，ai和τi分别为相应荧光衰减过程的幅值和寿命；
[0013]
平均荧光寿命τ由下式计算获得：
[0014][0015]
进一步地，所述检测系统中的激发光源包括激光器和准直镜，其中所述激光器用于产生激光，所述准直镜设置在所述激光的光路上。
[0016]
进一步地，所述检测系统中的光传导单元包括二向色镜、第一光纤耦合镜、光纤和第二光纤耦合镜，其中所述二向色镜对激发光有高反射率并对自体荧光有高透射率，其设置于所述激发光的光路上并将激发光反射至所述第一光纤耦合镜中，所述光纤的两端分别与第一光纤耦合镜和第二光纤耦合镜相连。
[0017]
进一步地，所述检测系统中的准直镜、第一光纤耦合镜和第二光纤耦合镜为石英透镜，所述光纤为紫外光纤。
[0018]
进一步地，所述检测系统中还包括分光镜和稳态探测单元，其中所述分光镜设置在所述光传导单元输出的自体荧光信号的光路上，并使其所述荧光信号分成瞬态路和稳态路，并使所述瞬态路的荧光信号进入所述瞬态探测单元，使所述稳态路的荧光信号进入所述稳态探测单元；所述稳态探测单元包括依次设置在稳态路上的荧光信号多通道带通滤波装置和高灵敏探测器，其中所述多通道带通滤波装置包括至少两个滤波通道，每个滤波通道可使一特定波长范围内的荧光信号通过；所述高灵敏探测器分别将经过不同滤波通道的荧光信号的光强转换为电信号；所述数据采集器还对所述高灵敏探测器输出的电信号进行积分采集，获得不同波长范围的荧光信号强度值。
[0019]
进一步地，所述检测系统中的多通道带通滤波装置包括四个滤波通道，其带宽为10nm，中心波长分别为400nm、420nm、430nm和465nm。
[0020]
进一步地，所述检测系统中的多通道带通滤波装置为滚轮式带通滤波片组，其包括滚轮架和中心波长分别为400nm、420nm、430nm、465nm的10nm带通滤波片。
[0021]
进一步地，所述检测系统中的激发光波长为355nm。
[0022]
进一步地，所述检测系统中的数据采集处理单元还包括光强数值处理模块，其对所述数据采集器获得的不同波长范围的荧光信号强度值按式(i2+i3)/(i1+i4)进行运算，式
中i1、i2、i3、i4依次为通过所述中心波长为400nm、420nm、430nm和465nm的滤波通道的荧光信号强度值。
[0023]
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
[0024]
图1为本发明所述的乳腺肿瘤检测系统的框架示意图；
[0025]
图2为本发明所述的乳腺肿瘤检测系统的结构示意图；
[0026]
图3为实施例所述的对乳腺肿瘤组织和乳腺组织的荧光寿命检测结果示意图；
[0027]
图4为实施例所述的对乳腺肿瘤组织和乳腺组织的四个特征波长的荧光光强检测结果示意图；
[0028]
图5为实施例所述的对乳腺肿瘤组织和乳腺组织分别进行四个特征波长的荧光光强采集并计算r值的结果示意图。
具体实施方式
[0029]
本发明针对现有技术中需要皮秒或飞秒级激发光源以及时间相关单光子计数器或泵浦-探测等测量手段的结合才能对荧光寿命进行准确测量，从而导致整个探测系统成本高昂、体积庞大的问题，提供了一种可以利用百皮秒级激发光源和亚纳秒级探测器进行荧光寿命探测的系统。其通过利用卷积拟合法对数据进行后期处理来去除系统响应展宽对结果的影响，从而能够保证系统能够获得准确的荧光寿命，大大降低了系统的制造成本及整体体积。以下为本发明所述的乳腺肿瘤检测系统的一种具体实施方式。
[0030]
请同时参阅图1和图2，其为本实施例所述的乳腺肿瘤检测系统的框架示意图以及结构示意图，其包括激发光源1、光传导单元2、分光镜3、瞬态探测单元4、稳态探测单元5和数据采集处理单元7。
[0031]
所述激发光源1包括激光器11、衰减器12和准直镜13。其中所述激光器11产生波长为355nm、脉宽为百皮秒量级、重复频率为千赫兹量级的紫外激光。优选地，所述激光器为微片固体脉冲激光器。所述衰减器12和准直镜13依次设置在所述激光的光路上。其中所述衰减器12具体为可调光衰减器，其用于使所述激光的功率衰减从而得到合适的激发光，在本实施例中，所述激发光的功率优选为2mw。所述准直镜13用于使激发光准直，在测试过程中，可以根据实际需要调整准直镜的焦距参数以获得不同的激发光光束直径，优选地，其为石英透镜，使用石英透镜可以避免玻璃被紫外激光激发出荧光而对检测结果造成影响。
[0032]
所述光传导单元2包括二向色镜21和导光模块，其中所述二向色镜21对激发光具有高反射率，且对待检组织产生的荧光信号具有高透射率，其设置在所述激发光的光路上，可使激发光源产生的激发光反射进入导光模块中，所述导光模块可使光信号双向传输。具体地，在本实施例中，所述导光模块包括第一光纤耦合镜22、光纤23和第二光纤耦合镜24，所述光纤23的两端分别与第一光纤耦合镜22和第二光纤耦合镜24连接。所述激发光被二向色镜反射进入第一光纤耦合镜22后被耦合入光纤23中，并通过第二光纤耦合镜24照射至待检组织6上，对其进行激发。所述待检组织7被激发后产生的自体荧光信号通过第二光纤耦合镜24进入光纤23并通过第一光纤耦合镜22后出射至二向色镜21。优选地，所述第一光纤耦合镜22和第二光纤耦合镜24采用石英透镜，所述光纤23为紫外光纤。由于所述二向色镜
21对激发光具有高反射率，且对待检组织6产生的荧光信号具有高透射率，从第一光纤耦合镜22中输出的自体荧光信号可通过二向色镜21，而其中夹带的散射激发光则会被反射。而使用石英透镜作为光纤耦合镜以及使用紫外光纤则可以避免玻璃被紫外激光激发出荧光而对检测结果造成影响。在其他一些实施方式中，所述导光模块也可以由开放透镜组成，只需使激发光和自体荧光信号能够沿其传输即可。
[0033]
所述分光镜3可以将入射的光分成两路光束，其设置在通过所述二向色镜21的自体荧光信号的光路上，用于将所述自体荧光信号分成瞬态路和稳态路，并使所述瞬态路进入所述瞬态探测单元，使所述稳态路进入稳态探测单元，从而系统可以同时进行瞬态探测和稳态探测。
[0034]
所述瞬态探测单元4包括第一聚焦透镜41、第一滤光片42和高速响应探测器43，三者依次设置在所述瞬态路上。其中，所述第一聚焦透镜41用于聚焦所述瞬态路的荧光信号；所述第一滤光片42为长波通滤光片，其可以使荧光信号通过并进一步滤去杂散光；所述高速响应探测器43为响应时间在亚纳秒级的光电探测器，其将随时间变化的荧光信号转换为模拟电信号。优选地，在本实施例中，所述高速响应探测器43为宽带雪崩二极管，其响应时间可达到1ns甚至更低，可更好地对荧光信号的寿命进行测量。而在其他一些实施方式中，也可以使用响应时间足够短的宽带光电二极管对荧光信号的寿命进行测量。
[0035]
所述稳态探测单元5包括依次设置在所述稳态路上的多通道带通滤波模块51、第二聚焦透镜52、第二滤光片53和高灵敏探测器54。其中所述多通道带通滤波模块51用于使多个特定波长的荧光信号分别通过，其中应至少包括波长为400nm、420nm、430nm和465nm的荧光信号。具体地，本实施例中所述多通道带通滤波模块51为滚轮式带通滤波片组，其包括滚轮架和中心波长分别为400nm、420nm、430nm、465nm的10nm带通滤波片，其中每个滤波片分别构成一个波长检测通道，通过旋转滚轮架，即可对滤波通道进行切换。所述第二聚焦透镜52用于使所述通过多通道带通滤波模块51的荧光信号聚焦。所述第二滤光片53为长波通滤光片，其可以使荧光信号通过并进一步滤去杂散光。所述高灵敏探测器54为可以感应低强度荧光信号并将其转换为电信号的光电探测器，其灵敏度应至少大于1200a/lm。具体地，本实施例中所述高灵敏探测器54优选为光电倍增管，其阳极灵敏度典型值为1500a/lm，峰值响应波长为400nm，可以有效地经过每个滤波通道的荧光信号的强度进行测量并将其转换为电信号。而在其他一些实施方式中，也可以使用例如高灵敏的雪崩二极管等光电器件对荧光信号的强度进行测量。
[0036]
所述数据采集处理单元7包括数据采集器、荧光寿命拟合模块和光强数值处理模块。其中所述数据采集器的带宽应至少为1ghz，采样速率至少为4gs/s，存储深度至少为1mpts，其包括瞬态采集模块和稳态采集模块，两者分别对高速响应探测器43以及高灵敏探测器54所输出的模拟电信号进行采集并将其转换为数字信号。其中，所述瞬态采集模块被高速响应探测器43输出的模拟信号的上升沿触发，并将其转换为随时间变化的数字信号。所述稳态采集模块对高灵敏探测器54输出的电信号进行积分采集，其中对应于每个波长的荧光的电信号积分时间应大于100ms。
[0037]
所述荧光寿命拟合模块对所述瞬态采集模块中获得的数字信号进行卷积拟合分析。具体地，本实施例所采用的卷积拟合算法如下：
[0038][0039][0040][0041]
式中，t和t'均为时间，g(t)为系统的响应函数，其中w为响应特征时间，描述响应函数的时间宽度，由激发光脉宽、探测器带宽和数据采集器带宽共同决定；f(t)为描述荧光激发及衰减的函数，其中τr为荧光上升沿特征时间，a0和t0为荧光强度和时间的坐标平移量。k为实际荧光衰减过程的数量，对于乳腺组织及乳腺肿瘤的自体荧光，其一般等于2或3，具体由检测对象的荧光基团物质组成所决定，ai和τi分别为相应荧光衰减过程的幅值和寿命。利用f(t')进行拟合，可以去除系统响应展宽的影响，获得准确的自体荧光寿命。
[0042]
最后由下式计算获得平均荧光寿命τ：
[0043][0044]
所述平均荧光寿命τ可作为对比甄别正常组织与肿瘤组织的荧光寿命参数，以下所述荧光寿命均指平均荧光寿命τ。
[0045]
所述光强数值处理模块对所述稳态采集模块获得的数字信号进行运算以实现对待检组织的甄别。在本实施例中，对经过四个滤波通道的荧光信号按照其波长从低到高的顺序将其光强设为i1、i2、i3、i4，并通过公式r＝(i2+i3)/(i1+i4)计算出r值。选取0.95作为阈值线，当所述r值明显大于0.95时，可判断待检组织为正常乳腺组织；而当所述r值明显小于0.95时，可判断待检组织为乳腺肿瘤组织；对于r值与0.95接近的组织，则结合其荧光寿命与正常乳腺组织的典型荧光寿命的对比结果再作出判断。
[0046]
以下为所述的乳腺肿瘤检测系统对乳腺肿瘤组织和正常乳腺组织的检测例。
[0047]
请参阅图3，其为利用本实施例所述的系统对乳腺肿瘤组织和正常乳腺组织分别进行荧光寿命检测以及卷积拟合的结果。其中卷积拟合算法的k值取2，其得到的乳腺肿瘤组织所产生的自体荧光寿命为2.66ns，正常乳腺组织产生的自体荧光寿命为4.05ns，两者之间存在明显差异，由此可见所述的检测系统具有足够的时间分辨率和灵敏度，可满足对乳腺组织和乳腺癌组织的荧光寿命测量的需求。
[0048]
请参阅图4，其为利用所述系统对乳腺肿瘤组织和正常乳腺组织所产生的自体荧光在400nm、420nm、430nm、465nm波长下的光强检测结果。其中两种组织在选取的特征波长上的光强均有较大出入，因此可根据待检组织所产生的荧光信号在四个波长上的光强差异对乳腺肿瘤组织和正常组织进行甄别。
[0049]
请参阅图5，其为利用所述系统对16个组织样本(其中包含8个乳腺肿瘤组织样本和8个正常乳腺组织样本)进行所述四个特征波长的荧光强度采集并对光强进一步计算获
得的r值结果。其中，所有肿瘤组织的r值均小于0.95，而所有正常乳腺组织的r值均大于0.95，因此可以选取0.95作为判断乳腺肿瘤组织和正常乳腺组织的阈值线。
[0050]
本发明确定了适用于在乳腺肿瘤组织和正常乳腺组织之间进行甄别的激发光波长，其可以使两者的荧光信号的寿命和强度具有较大的差异从而更易于检测。另外，本发明采用百皮秒级激发光源、响应时间在亚纳秒级的宽带雪崩光电二极管以及高带宽、高采样速率、高存储深度的数据采集器配合进行荧光寿命检测，并利用卷积拟合法排除系统中的误差，从而利用比远低于现有技术方案的成本实现了高精度的荧光寿命检测效果，更有利于在临床检测中推广和应用。进一步地，本发明中利用分光镜使荧光信号同时进入瞬态探测单元和稳态探测单元，其可以实现荧光寿命和荧光光强的同步检测，与现有技术中需要先后进行两者检测的方法相比，更加节省检测时间。更进一步地，与现有技术中需要利用光栅光谱仪等设备对荧光信号的强度进行检测的方法相比，本发明所述的系统选取了400nm、420nm、430nm、465nm的波长作为检测荧光强度的特征波长，并通过将其各自的光强值计算出的r值作为一个甄别乳腺肿瘤组织和正常乳腺组织的一个参考标准，其成本更低且更容易实现，其结果也更适合作为乳腺肿瘤组织甄别的参考。另外本发明所述的技术方案也同时适用于腋下淋巴结组织癌变转移的检测甄别。
[0051]
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。