面向血液中癌细胞检测的实时光谱检测装置和方法与流程

本发明属于医用激光技术领域，具体涉及一种实时的光谱检测方法和装置，可用于血液中癌细胞的实时检测。

背景技术：

随着生活环境的日益恶化，癌症已成为人类健康的最大威胁。癌症本身不可怕，可怕的是癌细胞会通过血液等途径从原发病灶传遍全身，形成转移病灶，让人防不胜防。如能监测血液中的癌细胞，就有望早日发现转移病灶，而且也可反映治疗的效果。但是血液中的癌细胞比例极低，而且呈现随机分布的特征，发现它们并非易事，传统的抽血化验方式无法应用。

光谱分析方法以其灵敏、快速、准确的检测特点，在医学领域得到广泛应用。癌细胞与正常细胞的荧光光谱差异明显，可充分利用这一特征来检测癌细胞。但是与其他细胞(比如红细胞)相比，癌细胞在血液中出现的几率很小，在一段观测时间范围内可能会偶然出现，也可能不出现。这对光谱仪提出了很高的要求：需要具备实时反应能力，响应速率达到100mhz以上。

然而现有的光谱仪所用探测器均为ccd。ccd拍摄图像需要一定的曝光时间，是一个时间积分型探测器，这限制了ccd的帧频率最高仅为几十khz。如此慢的帧频率无法实时分辨血液中的癌细胞，对于血液中癌细胞检测这种需要ghz响应速度的应用场合无法适用，须发明一种实时的光谱检测技术。

技术实现要素：

本发明针对上述需求，提供了一种实时的光谱检测方法和装置。本发明采用单点式的光电倍增管作为探测器，光电倍增管靠二次电子发射原理对信号进行放大，避免了ccd的时间积分效应，因此响应速度非常快，可高达1ghz以上。但是光电倍增管只能测量单点信号，无法满足光谱测量对于同时多点测量空间一维信号的需求。本发明中，我们构造了“一个转换接口”：n根光纤的一维阵列对被测信号的一维空间分布进行多点同时取样，而不同长度的光纤则将“空间并行”数据转换成“时间串行”数据，并经过光纤集束后，使之能够与单点式的光电倍增管相匹配，最后通过高速数字示波器记录。除了响应速度快的优势以外，我们发明的探测方法灵敏度比传统ccd探测器高5个数量级以上，有利于对微弱信号的精准分辨与测量。本发明可实现对光谱信号的实时分析，可用于监测血液中的癌细胞分布与含量，有利于癌症的早期发现与防治。

具体方案如下：

一种实时光谱测量装置，该实时光谱测量装置用于血液中癌细胞检测，包含：

光栅、凹面镜、光纤阵列、光纤通道、光纤集束、光电倍增管和数字示波器；

所述光栅用于将待测血液光谱信号中按照不同波长发散到不同的空间方向，来自不同空间方向的若干待测血液光谱信号经凹面镜的凹面反射，以将该若干待测血液光谱信号准直到一个方向并传输至光纤阵列，

光纤阵列按照波长的不同将若干待测血液光谱信号耦合到不同的光纤通道中；

不同波长的光谱信号经过不同长度的光纤通道后，依次从光纤集束输出；

光电倍增管接收光纤集束在不同时间内输出的时间串行信号，并将输出的电信号输入到高速示波器进行数据分析与显示。

进一步的，所述光纤阵列(7)由玻璃基底(13)、裸光纤进光端(12)和玻璃盖板(14)构成；

所述玻璃基底(13)设置有一排相邻的v型槽，在各所述v型槽内均放置有一根裸光纤进光端(12)，放置的裸光纤进光端在玻璃基底内依次紧密排列。

进一步的，所述光纤集束(9)由若干裸光纤出光端(15)和不锈钢封管(16)构成，若干裸光纤出光端(15)以蜂窝堆叠的方式设置在圆形的不锈钢封管(16)内。

进一步的，光栅刻线密度为1000线/mm～2000线/mm；

光纤通道的长度从光纤阵列(7)的一端到另一端依次增大，递增间隔为l，递增间隔l为1-1.5米；

裸光纤进光端(12)、裸光纤出光端(15)与光纤通道的数量为n，n的选取范围为100-200。

进一步的，所述光栅(2)中心距离凹面镜(4)中心的距离与凹面镜的焦距相同，光纤阵列(7)位于凹面镜(4)的焦点平面(6)，所述光电倍增管(10)的输出端与所述数字示波器(11)的输入端相连。

进一步的，所述光电倍增管响应时间小于1ns，对应响应速度大于1ghz；

所述数字示波器响应速度大于1ghz。

同时本发明还提供了一种实时的光谱测量方法，包含以下步骤：

使用光栅将待测血液光谱信号中按照不同波长发散到不同的空间方向；

凹面镜将来自不同空间方向的若干待测血液光谱信号予以反射，以将该若干待测血液光谱信号准直到一个方向并传输至光纤阵列，

光纤阵列按照波长的不同将若干待测血液光谱信号耦合到不同的光纤通道中；

不同波长的光谱信号经过不同长度的光纤通道后，依次从光纤集束输出；

光电倍增管接收光纤集束在不同时间内输出的时间串行信号，并将输出的电信号输入到高速示波器进行数据分析与显示。

进一步的，所述光纤阵列由玻璃基底、裸光纤进光端和玻璃盖板构成；

所述玻璃基底设置有一排相邻的v型槽，在各所述v型槽内均放置有一根裸光纤进光端，放置的裸光纤进光端在玻璃基底内依次紧密排列。

进一步的，所述光纤集束由若干裸光纤出光端和不锈钢封管构成，若干裸光纤出光端以蜂窝堆叠的方式设置在圆形的不锈钢封管内；

光纤通道的长度从光纤阵列的一端到另一端依次增大，递增间隔为l，递增间隔l为1-1.5米；

裸光纤进光端、裸光纤出光端与光纤通道的数量为n，n的选取范围为100-200。

进一步的，所述光栅中心距离凹面镜中心的距离与凹面镜的焦距相同，光纤阵列位于凹面镜的焦点平面，所述光电倍增管的输出端与所述数字示波器的输入端相连。

本发明可以实时地测量光谱，一个主要的应用就是检测人体血液中的癌细胞，相比传统光谱仪，本发明可实时检测癌细胞出现的几率与含量，对于癌症的早期诊断、癌症转移控制和癌症治疗效果的分析具有重要意义。除此以外，本发明还有望应用于其他需要极快速捕获光谱的场合。本发明结合了光纤阵列系统的空间分辨能力(类似传统光谱仪中的ccd探测器)和光电倍增管的实时探测能力，从而能对空间排布的光谱信号成分进行实时探测，它带来的一个主要优点就是ghz的响应速度(近实时)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种实时光谱测量装置的示意图；

图2为光纤阵列的示意图；

图3为光纤集束的示意图；

图4为本发明与商品化的ccd型光谱仪测量结果的对比图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供了一种实时光谱测量装置，参照图1-3所示，包含：

光栅2、凹面镜4、光纤阵列7、光纤通道8、光纤集束9、光电倍增管10和数字示波器11；

光栅2用于将待测血液光谱信号中按照不同波长发散到不同的空间方向，来自不同空间方向的若干待测血液光谱信号经凹面镜4的凹面反射，以将该若干待测血液光谱信号准直到一个方向并传输至光纤阵列7，；

光纤阵列7按照波长的不同将若干待测血液光谱信号耦合到不同的光纤通道8中；

不同波长的光谱信号经过不同长度的光纤通道8后，依次从光纤集束9输出，光纤集束9输出的不同光谱信号会有一时间差；

光电倍增管10接收光纤集束9在不同时间内输出的时间串行信号，并将输出的电信号输入到高速示波器进行数据分析与显示。

在本发明一可选的实施例中，参照图2所示，所述光纤阵列7由玻璃基底、裸光纤进光端12和玻璃盖板14构成，玻璃盖板14位于玻璃基底13上；所述玻璃基底13设置有一排相邻的v型槽，在各所述v型槽内均放置有一根裸光纤进光端12，放置的裸光纤进光端在玻璃基底内依次紧密排列，通过玻璃盖板14来将v型槽内放置的裸光纤进光端12压住。

在本发明一可选的实施例中,所述光纤集束9由若干裸光纤出光端15和不锈钢封管16构成，若干裸光纤出光端15以蜂窝堆叠的方式设置在圆形的不锈钢封管16内，如图3所示。

在本发明一可选的实施例中,光栅刻线密度为1000线/mm～2000线/mm，光纤通道8的长度从光纤阵列7的一端到另一端依次增大，递增间隔为l，递增间隔l为1-1.5米。进一步可选的，裸光纤进光端12、裸光纤出光端15与光纤通道8的数量为n，n的选取范围为100-200。

在本发明一可选的实施例中,所述光栅2中心距离凹面镜4中心的距离与凹面镜4的焦距相同，光纤阵列7位于凹面镜4的焦点平面6，所述光电倍增管10的输出端与所述数字示波器11的输入端相连。

在本发明一可选的实施例中，所述光电倍增管10响应时间小于1ns，对应响应速度大于1ghz；所述数字示波器11响应速度大于1ghz。

结合图1所示，本发明方法原理如下：

来自血液的待测光信号首先经过一块光栅2，由于光栅2具有角色散的功能，因此从光栅2出射的光信号中不同的波长成分沿不同的空间方向传输(色散位于xz平面)；再经过一块凹面镜4后，由于光栅2位于凹面镜4的焦点位置，因此从凹面镜4出射的不同波长的光信号变为准直输出，但是对于同一波长的信号光束经过凹面镜4后会聚焦输出；这样在凹面镜4的焦平面位置，不同波长的光焦点沿x方向依次排列；将包含n(n≥100)根光纤通道8的光纤阵列7水平放置在凹面镜4的焦平面处，同时接收这些不同波长的光信号；由于光纤通道8从光纤阵列7一端到另一端长度依次递增l，因此经过n根光纤通道8传输后，从光纤集束9输出的光信号变为时间上串行的信号，信号时间间隔为δt＝nl/c(其中n是光纤介质的折射率，c是真空中光速)；这些时间串行的光信号被高速光电倍增管10依次接收，转换成电脉冲串后输入数字示波器11进行数据分析与显示；光电倍增管10和数字示波器11的响应速度均高于1ghz；光纤通道8的递增长度l的选取取决于光电倍增管10的响应时间(<1ns)，一般取1～1.5m为宜。

本发明提供的实时光谱测量避免了使用最高帧频率仅为几十khz的ccd探测器，取而代之的是响应速度高达ghz的光电倍增管，因此可实现传统ccd型光谱仪无法具备的实时响应能力。本发明可以实时地测量光谱，可用来检测人体血液中的癌细胞出现的几率与含量，对于癌症的早期诊断、癌症转移控制和癌症治疗效果的分析具有重要应用价值。

同时本发明还提供了一种实时的光谱测量方法，结合图1-3所示，本发明包含以下步骤：

使用光栅2将待测血液光谱信号中按照不同波长发散到不同的空间方向；

凹面镜4将来自不同空间方向的若干待测血液光谱信号予以反射，以将该若干待测血液光谱信号准直到一个方向并传输至光纤阵列7，

光纤阵列7按照波长的不同将若干待测血液光谱信号耦合到不同的光纤通道8中；

不同波长的光谱信号经过不同长度的光纤通道8后，依次从光纤集束9输出；

光电倍增管10接收光纤集束9在不同时间内输出的时间串行信号，并将输出的电信号输入到高速示波器进行数据分析与显示。

在本发明一可选的实施例中，所述光纤阵列7由玻璃基底、裸光纤进光端和玻璃盖板构成；

所述玻璃基底设置有一排相邻的v型槽，在各所述v型槽内均放置有一根裸光纤进光端，放置的裸光纤进光端在玻璃基底内依次紧密排列。

在本发明一可选的实施例中，所述光纤集束9由若干裸光纤出光端和不锈钢封管构成，若干裸光纤出光端以蜂窝堆叠的方式设置在圆形的不锈钢封管内；

光纤通道8的长度从光纤阵列7的一端到另一端依次增大，递增间隔为l，递增间隔l为1-1.5米；

裸光纤进光端、裸光纤出光端与光纤通道8的数量为n，n的选取范围为100-200。

在本发明一可选的实施例中,所述光栅2中心距离凹面镜4中心的距离与凹面镜4的焦距相同，光纤阵列7位于凹面镜4的焦点平面，所述光电倍增管10的输出端与所述数字示波器11的输入端相连。

本实施例中待测光1进入上述实时光谱测量装置后，经过光栅2(刻线密度可选1000线/mm～2000线/mm)后变成角发散的光束3，由于光栅2位于凹面镜4的焦点位置，因此角发散的光束3经过凹面镜4反射后变成整体准直输出的光束5，对于光束5中的每个单色光成分，经过凹面镜4后将会聚焦，焦点位于凹面镜4的焦点平面6。在凹面镜4的焦点平面6上，不同光谱成分的焦点依次排列，形成分辨率极高的空间啁啾分布。光纤阵列7即位于凹面镜4的焦点平面6的位置，对不同波长的光谱成分进行收集。不同波长的光谱成分沿着不同的光纤通道8传输，由于光纤通道8的长度依次递增，因此从光纤集束9输出的信号将时间上依次输出，时间间隔为δt＝nl/c，其中n为光纤的折射率，c为真空中光速。从光纤集束9输出的时间串行电信号被光电倍增管10接收，光电倍增管10输出的电信号输入到高速数字示波器11进行数据分析与显示。

下面是一个应用实施例：

在本发实施例中，我们利用本发明实时光谱测量装置来测量商用钛宝石再生放大激光器(spitfire，coherent)输出的光谱，并与商品化的ccd型光谱仪(hr2000+，oceanoptics)测量结果对比，以检验本发明的可靠性。测量结果见图4所示，图中黑色实线为hr2000+光谱仪的测量结果，黑色散点为本发明的测量结果(每个点对应示波器上的一个信号峰，不同的信号峰来源于不同的光纤通道8)。本发明测量的结果与hr2000+的测量结果高度吻合，表明了本发明的可靠性。本实施例中所用光源是个稳定输出的系统，不具备偶然事件，因此本发明与hr2000+的测量结果高度一致。但是对于存在偶然事件光信号而言(比如来源于血液的荧光信号或成像信号)，本发明将具备实时分辨能力，而hr2000+无法分辨。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。