一种用于甲状旁腺识别的双激光激发系统

本申请涉及生物组织识别技术领域，具体涉及一种用于甲状旁腺识别的双激光激发系统，可用于术中进行甲状旁腺的定位。

背景技术：

全球甲状腺疾病的发病率迅速上升，在我国的一些省市甲状腺癌的发病率已进入恶性肿瘤发病率的前十名。甲状腺切除术是去除全部或部分甲状腺的常见外科手术方法，用于治疗甲状腺疾病，包括甲状腺癌，甲状腺功能亢进和多结节性甲状腺肿。甲状旁腺是位于甲状腺上黄豆大小的腺体，其在调节血钙方面起着重要作用，术中误切会导致严重的并发症，如果通过病理切片判断为误切，医生需要及时执行自体移植。

已有的研究发现甲状旁腺在激光照射下，能够发出比周边组织大2至10倍的荧光。基于此原理，目前已设计的甲状旁腺识别系统主要有影像和探针两种形式。影像容易受到环境光影响，术中使用需要医生关闭手术室全部灯光。探针点检测系统对环境光不敏感，但会受到与荧光波段重叠的无影灯影响，要求医生关闭无影灯才能使用，对手术流程造成一定的不便，釜庆大学蔚山科学技术院提出了调频激发光的设计(公布号：cn111343910a[0035])，但需要采用锁相放大器进行信号提取，无形中增加了系统复杂性和成本。而且研究发现除了甲状旁腺，术中被高温灼伤的组织也存在近红外荧光，这些灼伤组织可能会导致医生误判为甲状旁腺，增加了甲状旁腺的假阳性识别率，进而产生严重后果，而单纯的调频和锁相环设计无法解决这个问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种基于近红外自发荧光的甲状旁腺识别系统，降低环境光和术中无影灯的影响，使得医生在不改变现有手术流程的条件下即可进行检测。同时通过灼伤组织和甲状旁腺在可见光和近红外波段的自发荧光强度差别，在术中区分灼伤组织和甲状旁腺，降低甲状旁腺识别的假阳性率。

根据环境灯光和无影灯为直流的特点，本发明设计了一种基于调制激发光的甲状旁腺识别系统，调制频率远远高于常用的50hz或者60hz市电，通过光电传感器，例如apd或者pmt将自发荧光转化为电信号后进行采集，无需通过锁相放大器，信号直接进入微处理进行傅里叶变换提取调制频率处的荧光信号幅值，从而去除直流无影灯和工频交流的环境灯光干扰。常用的微处理器为dsp数字信号处理器，适合用于快速的信号处理，例如fft快速傅里叶运算。dsp也可以作为通用的控制器用于控制音箱或者液晶屏，输出检测结果。

根据灼伤组织和甲状旁腺在可见光波段的自发荧光具有明显的强度差异，设计了双激发光的甲状旁腺识别系统，除了常见的近红外激发光，增加了500nm波段的可见光激发光，在系统设计上，可以采用两种激光同时激发或者系统分时复用的方式，从而正确区分灼伤组织和甲状旁腺，实施案例中对两种系统都进行了描述。

本发明的技术方案为一种用于甲状旁腺识别的双激光激发系统，系统包括：微处理器，用于输出1khz～100khz以内的调制信号，微处理器连接到近红外激光器以及可见光激光器，用于控制近红外激光器和可见光激光器输出与调制信号对应的激光，所述近红外激光器和可见光激光器分别连接到第一二分镜，第一二分镜的输出端通过耦合透镜耦合到光纤中的一束，光纤连接有探针，探针下方对准待检测组织；所述探针中光线中的另一束耦合到准直透镜，准直透镜后方连接有光电测量装置，所述光电测量装置为双路激光同时检测光电测量装置或双路激光分时检测光电测量装置，光电测量装置连接到声光报警显示装置。

进一步的，所述双路激光同时检测光电测量系统包括：

第二二分镜用于将光分成两路，分别连接到可见光波段滤光片、近红外滤光片，所述可见光波段滤光片连接到第二聚光透镜，将光束聚焦到第二光电检测器上转化为电信号后被微处理器采集；所述近红外滤光片连接到第一聚光透镜后聚焦到第一光电检测器，将光信号转化为电信号后被微处理器采集。

进一步的，所述双路激光分时检测光电测量系统包括：

双色滤光片滚轮，连接到微处理器，所述微处理器用于控制双色滤光片滚轮旋转至近红外滤光片或可见光滤光片；所述双色滤光片滚轮的输出端连接到光电检测器，将光信号转化为电信号被微处理器采集。

进一步的，近红外激光器和可见光激光器输出的两路激光通过第一二分镜变成同轴后，通过耦合透镜耦合进入光纤，耦合的激光通过光纤和探针传导后激发待检测组织产生荧光；产生的荧光再通过光纤传导至准直透镜后变为平行光，并通过第二二分镜分成两路光，其中一路进入可见光波段滤光片，另一路进入近红外滤光片进行滤波，前者进入第二聚光透镜后聚焦到第二光电检测器上转化为电信号后被微处理器采集；后者进入第一聚光透镜后聚焦到第一光电检测器上转化为电信号后被微处理器采集，光电检测器和典型为apd雪崩光电二极管。微处理器对采集到的信号进行频谱分析，提取出对应调制频率处的信号幅值，进行结果判断，识别的结果通过声光报警装置显示，当仪器确认为甲状旁腺时，发出预定声音。

进一步的，微处理器控制双色滤光片滚轮对滤光片进行选择，当需要检测近红外荧光时，双色滤光片滚轮旋转至近红外滤光片，当需要检测可见光荧光时，双色滤光片滚轮旋转至可见光滤光片；滤波后的光信号通过光电检测器转化为电信号被微处理器采集，微处理器对采集到的信号进行频谱分析，提取出对应调制频率处的信号幅值，并根据流程图进行结果判断，识别的结果通过声光报警装置显示，当仪器确认为甲状旁腺时，发出预定声音。

进一步的，近红外激光器的波段为750nm至790nm，可见光激光器的波段为480nm至520nm。

进一步的，第一二分镜为高通低反射镜片，耦合透镜为胶合的消色差透镜。

进一步的，光电检测器为apd雪崩光电二极管。

进一步的，光纤为双200um芯径的y型光纤。

进一步的，第二二分镜典型为高通低反射镜头。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明采用调制激发光和傅里叶算法做频谱分析相结合的方法，可以很容易地去除环境光和直流无影灯的影响，硬件上减少了锁相放大器的使用，可以降低检测系统成本。

第二，本发明采用双激发光的设计，可以在术中区分灼伤组织和甲状旁腺，降低了灼伤组织带来的甲状旁腺假阳性识别率。

附图说明

图1：近红外激发光和可见光激发下甲状旁腺和灼伤组织荧光成像图，(a)近红外激发光下的荧光成像图，(b)可见光激发下的荧光成像图；

图2：60khz调制下肌肉组织和甲状旁腺的时域和频域信号图，其中图2(a)是肌肉组织的时域信号图，图2(b)为对应信号通过快速傅里叶变换后得到的频域信号图，图2(c)是甲状旁腺组织的时域信号图，图2(d)为对应信号通过快速傅里叶变换后得到的频域信号图。

图3：灼伤组织和甲状旁腺识别流程；

图4：两路激发光同时工作的系统原理框图；

图5：双激光分时激发系统图。

附图标记说明

1：声光报警显示装置2：微处理器

3：第一光电检测器4：第二光电检测器

5：第一聚光透镜6：光纤

7：近红外波段滤光片8：可见光波段滤光片

9：第二聚光透镜10：第二二分镜

11：准直透镜12：耦合透镜

13：近红外激光器14：第一二分镜

15：可见光激光器16：探针

17：待检测组织18：双色滤光片滚轮

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，提出一种用于甲状旁腺识别的双激光激发系统，采用基于调制激发光，调制频率远远高于常用的50hz或者60hz市电，通过光电传感器，例如apd或者pmt将自发荧光转化为电信号后进行采集，无需通过锁相放大器，信号直接进入微处理进行傅里叶变换提取调制频率处的荧光信号幅值，从而去除直流无影灯和工频交流的环境灯光干扰。常用的微处理器为dsp数字信号处理器，适合用于快速的信号处理，例如fft快速傅里叶运算。dsp也可以作为通用的控制器用于控制音箱或者液晶屏，输出检测结果。

根据灼伤组织和甲状旁腺在可见光波段的自发荧光具有明显的强度差异，设计了双激发光的甲状旁腺识别系统，除了常见的近红外激发光，增加了500nm波段的可见光激发光，在系统设计上，可以采用两种激光同时激发或者系统分时复用的方式，从而正确区分灼伤组织和甲状旁腺，实施案例中对两种系统都进行了描述。

如图1所示是近红外激发光和可见光激发下甲状旁腺和灼伤组织荧光成像图，其中图1(a)是近红外激发光下的荧光成像图，图中可见甲状旁腺和组织的灼伤部位都有明显的荧光。图1(b)是可见光激发下的荧光图，可见灼伤组织有较强荧光而甲状旁腺无明显荧光。

如图2所示60khz调制下肌肉组织和甲状旁腺的时域和频域信号图，其中图2(a)是肌肉组织的时域信号图，图2(b)为对应信号通过快速傅里叶变换后得到的频域信号图，图2(c)是甲状旁腺组织的时域信号图，图2(d)为对应信号通过快速傅里叶变换后得到的频域信号图。取频域中60khz对应的幅值进行比较，可以滤除其他波段的干扰信号。

本发明可采用图4和图5两种实施案例，两个系统主要区别在于荧光采集部分。图4中采用双光路，可以同时实现近红外和可见光的荧光激发和检测，图5采用单光路，利用双色滤光片滚轮实现两种荧光分时激发和检测。

实施例一：双激光同时激发系统

根据本发明的实施例一，如图4所示，提供一种双激光同时激发系统图，系统包括声光报警显示装置1，微处理器2，第一光电检测器3，第二光电检测器4，第一聚光透镜5，光纤6，近红外波段滤光片7，可见光波段滤光片8，第二聚光透镜9，第二二分镜10，准直透镜11，耦合透镜12，近红外激光器13，第一二分镜14，可见光激光器15，探针16，待检测组织17。

微处理器2，典型为dsp数字信号处理器，输出100khz以内的调制信号，例如60khz方波信号，或者正弦波信号，控制近红外激光器13和可见光激光器15输出与调制信号对应的激光，近红外激光器13的典型波段为785nm，可见光激光器15的典型波段为500nm。输出的激光通过第一二分镜14变成同轴后(即两路激光，一路通过反射、一路通过透射，最后合成同轴的光路)，通过耦合透镜12耦合进入光纤6，第一二分镜14典型为高通低反射(高通低反射是指高频率通过低频率反射)镜片，耦合透镜12典型为胶合的消色差透镜，光纤6典型的为双200um芯径的y型光纤，耦合的激光通过光纤6和探针16传导后激发待检测组织17产生荧光。产生的荧光再通过光纤6传导至准直透镜11后变为平行光，并通过第二二分镜10分成两路光，第二二分镜10典型为高通低反射镜头，其中一路进入可见光波段滤光片8，另一路进入近红外波段滤光片7进行滤波，前者进入第二聚光透镜9后聚焦到第二光电检测器4上转化为电信号后被微处理器2采集。后者进入第一聚光透镜5后聚焦到第一光电检测器3上转化为电信号后被微处理器2采集，第二光电检测器4和第一光电检测器3典型为apd雪崩光电二极管。微处理器2对采集到的信号进行频谱分析，提取出60khz调制频率处的信号幅值，并根据流程图3进行结果判断，识别的结果通过声光报警显示装置1显示，当仪器确认为甲状旁腺时，发出声特定音。

实施例二：双激光分时激发系统

如图5所示是双激光分时激发系统图，系统包括声光报警显示装置1，微处理器2，第一光电检测器3，第一聚光透镜5，光纤6，准直透镜11，耦合透镜12，近红外激光器13，第一二分镜14，可见光激光器15，探针16，待检测组织17，双色滤光片滚轮18。微处理器2，典型为dsp数字处理器，输出100khz以内调制信号，例如60khz方波信号，控制近红外激光器13和可见光激光器15输出与调制信号对应的激光，近红外激光器13的典型波段为785nm，可见光激光器15的典型波段为500nm。输出的激光通过第一二分镜14变成同轴后，通过耦合透镜12耦合进入光纤6，二分镜14典型为高通低反射镜片，耦合透镜12典型为胶合的消色差透镜，光纤6典型的为双200um芯径的y型光纤，耦合的激光通过光纤6和探针16传导后激发待检测组织17产生荧光。产生的荧光再通过光纤6传导至准直透镜11后变为平行光后进行滤波，微处理器2控制双色滤光片滚轮18对滤光片进行选择，当需要检测近红外荧光时，双色滤光片滚轮18旋转至近红外滤光片，当需要检测可见光荧光时，双色滤光片滚轮18旋转至可见光滤光片。滤波后的光信号通过光电检测器3转化为电信号被微处理器2采集，第一光电检测器3典型为apd雪崩光电二极管。微处理器2对采集到的信号进行频谱分析，提取出60khz调制频率处的信号幅值，并根据流程图3进行结果判断，识别的结果通过声光报警显示装置1显示，当仪器确认为甲状旁腺时，发出声特定音。

如图3所示是灼伤组织和甲状旁腺识别流程图，此图对应于分时复用的灼伤组织和甲状旁腺识别流程，对于激发光同时激发的方式，可将流程中的300和600判断步骤合并，同时进行判断可见光和近红外光的判断。

此处针对图4的检测流程做进一步说明。

微处理器2，典型为dsp数字处理器，输出100khz以内调制信号，例如60khz方波信号，控制近红外激光器13和可见光激光器15输出与调制信号对应的激光。输出的激光通过第一二分镜14变成同轴后，通过耦合透镜12耦合进入光纤6，耦合的激光通过光纤6和探针16传导后激发待检测组织17产生荧光。产生的荧光再通过光纤6传导至准直透镜11后变为平行光，并通过第二二分镜10分成两路光，其中一路进入可见光波段滤光片8，另一路进入近红外波段滤光片7进行滤波，前者进入第二聚光透镜9后聚焦到第二光电检测器4上转化为电信号被微处理器2采集。后者进入第一聚光透镜5后聚焦到第一光电检测器3上转化为电信号被微处理器2采集。微处理器2对采集到的信号进行频谱分析，提取出调制频率处的信号幅值，并根据流程图3进行结果判断，识别的结果通过声光报警显示装置1显示。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。