一种基于自体荧光寿命的癌症诊断系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于医疗设备技术领域，具体为一种基于自体荧光寿命的癌症诊断系统。本发明利用生物组织的自体荧光，通过分析荧光寿命的变化，探测细胞癌变是否发生，从而作为癌症诊断的依据。系统通过光纤导入，可通过内窥镜导入病变部位，也可以将光纤对准组织切片进行荧光寿命探测，对多种癌症进行早期检查和手术切缘判断，在生物医学和临床诊断等领域具有广泛的应用前景。本发明癌症诊断系统的优点是：原理简单，操作简便，检测速度快，灵敏度高，特异性高，有利于实现临床诊断中快速准确地诊断宫颈癌、肠癌或肺癌。本发明对组织癌变后荧光寿命变化明显的多种癌症种类均有效。
【专利说明】
一种基于自体荧光寿命的癌症诊断系统
技术领域
[0001] 本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种癌症诊断系统。
【背景技术】
[0002] 目前，癌症的死亡率居高不下，成为威胁人类健康的第一杀手。据统计，2012年全 球范围内新增的癌症病例1410多万，820万人死于癌症。其中宫颈癌占女性癌症死亡率第四 位;肠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确诊断时已进入了中晚期，失去 了早期治疗的机会。早期诊断是影响癌症生存时间长短、生活质量高低等预后指标最重要 的因素，也是早期治疗的前提。利用自体荧光寿命检测技术可以为癌症的早期诊断提供依 据，荧光寿命对荧光团所处的微环境非常敏感，能够对离子浓度、pH值等生理参数进行定量 测量，且不受激发光强度变化、光漂白等因素的影响。因此通过探测被检生物样本的自体荧 光寿命可以获得关于生物组织新陈代谢等微环境变化的信息，实现对癌症高灵敏度的诊 断。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种检测灵敏度高的癌症诊断系统，以实现对宫颈癌、肠 癌、肺癌等多种癌症的早期诊断，提高准确性。
[0004] 本发明提供的癌症诊断系统，是基于被检生物样本自体荧光寿命的。其通过激光 光源、荧光寿命信号采集装置和计算机处理，获得自体荧光寿命信息。具体结构如图1所示。 该装置由激光光源1，反射镜组2、3,双色镜4,第一会聚透镜组5,扫描集成小型化模块或光 纤探针6,第二反射镜8,第二会聚透镜组9,滤色片10,探测器11，计算机12,显示屏13,同步 信号14组成。其中： 激光光源1，用于产生对被检生物样本中自体荧光物质的激发光； 反射镜组2、3，与所述激光光源1连接，用于将所述的激发光调整至双色镜4; 双色镜4，与所述反射镜组连接;双色镜4用于将激发光和被检生物样本的自体荧光分 离； 第一会聚透镜组5，与所述双色镜4连接，用于会聚所述激发光和自体荧光； 扫描集成小型化模块或光纤探针6，与所述第一会聚透镜组5连接，用于实现对被检生 物样本的扫描或对活体组织的内窥检查； 第二反射镜8，与所述双色镜4连接，用于反射被检样本的自体荧光至滤色片10; 第二会聚透镜组9，用于会聚由第二反射镜8反射的自体荧光至滤色片10; 滤色片10，与所述第二会聚透镜组9连接，用于滤掉激发光； 光电探测器11，与所述滤色片10连接，用于探测被检生物样本的自体荧光信息； 计算机12,与所述扫描集成小型化模块6、光电探测器11以及同步信号14连接。计算机 12安装有:时间相关单光子数据采集卡，激光和光电探测器功率控制卡，扫描模块控制卡等 硬件模块;还安装有：荧光寿命数据采集和处理软件，激光和光电探测器功率控制软件，扫 描模块控制软件等软件模块。其中时间相关单光子数据采集卡用于获取并处理来自于光电 探测器11的信号;激光和光电探测器控制卡与激光光源1以及光电探测器11连接，用于控制 激光光源和光电探测器的输出功率;扫描模块控制卡与扫描集成小型化模块6连接，用于控 制扫描模块。荧光寿命数据采集软件用于给出采集指令至采集卡，同时同步呈现采集数据 状态;荧光寿命数据处理软件用于处理来自于数据采集软件的图像和寿命数据并进行数据 的拟合处理;激光和光电探测器功率控制软件用于控制激光和光电探测器的开关状态以及 功率大小;扫描模块控制软件用于调整扫描区域，速度等扫描参数，并给出扫描指令。
[0005] 显示屏13,用于显示以上相关软件的操作界面，并呈现采集到的寿命或图像信息。
[0006] 同步信号14由激发光源输出，并送入扫描集成小型化模块6和计算机12,用于同步 触发扫描信号和时间相关单光子计数器。
[0007] 本发明中，所述激发光源可以采用皮秒脉冲激光器用于对被检生物样本浅层组织 中自体荧光物质的单光子激发，也可以采用飞秒脉冲激光器用于对被检生物样本深层组织 中自体荧光物质的多光子激发。
[0008] 本发明中，所述激光器波长允许变化范围从近紫外到近红外（如320纳米-1400纳 米），根据被检生物样本荧光物质，探测深度要求等选择不同波长和脉冲宽度进行检测。
[0009] 本发明中，采用高灵敏度的光电倍增管，光电倍增管阵列，互补金属氧化物半导体 (CMOS)或电荷耦合元件(CCD)作为光电探测器11，用于探测自体荧光的单光子信号，实现对 弱信号进行高灵敏度的探测。
[0010] 本发明中，计算机12中采用时间相关单光子计数器，对光电探测器检测的信号进 行荧光寿命的时域测量。
[0011] 本发明中，由第二会聚透镜组9会聚的自体荧光信号通过滤色片10(截止滤色片） 输入光电探测器11。
[0012] 本发明中，根据被检生物样本中所含成分的不同，对获得的荧光寿命信息进行单e 指数、双e指数或多e指数模型的拟合。具体拟合算法公式为：
IU)为激发光激发被检生物样本后在时间?检测到的荧光强度，/2是被检生物样本荧 光成分个数，是第i'个焚光寿命成分的寿命大小，ai是第i个焚光寿命成分的相对占比，C是 常数拟合得到的平均寿命心为：
[0013] 本发明中，采用高性能的滤色片对可能透射的激光进行过滤，并过滤掉其他杂散 光，只剩下自体荧光信号进入采集装置，降低背景影响，提高信噪比。
[0014] 本发明中，被检生物样本7可以为生物组织切片，也可以为对活体内组织。
[0015] 本发明中，如果被检测生物样本为生物组织切片，则结构6及其连接线可以从系统 中去除，从而得到简化的诊断系统；如果保留包含自聚焦透镜结构的扫描集成小型化模块 及其连接线，则可以实现对被检测生物组织的荧光寿命成像，可以达到辅助寻找目标位置 的目的；如果是对活体组织的内窥镜检查，则可以将结构6及其连接线替换成光纤探针，从 而实现内窥诊断。
[0016] 本发明中，扫描集成小型化模块主要由自聚焦透镜、反射镜和微型电机组成。其 中，自聚焦透镜用于聚焦激发光于反射镜;反射镜与微型电机连接，通过控制微型电机的电 压等参数来调节反射镜的旋转角度，旋转速度等变量，进而实现激发光对被检生物样本不 同区域大小的扫描成像。
[0017] 本发明中，光纤探针主要由单模光纤，多模光纤和小型化连接头组成。单模光纤用 于引导激发光，多模光纤用于收集自体荧光，小型化连接头用于连接单模光纤和多模光纤， 从而方便光纤探针进入活体内部进行荧光的激发和采集。
[0018] 本发明中，通过计算机处理得到被检生物样本的荧光寿命值。当被检生物样本为 人体宫颈组织时，荧光寿命值以1.3-1.7纳秒为诊断标准，此诊断值可能因系统不同略有 不同，若样本的荧光寿命值低于此标准为正常宫颈组织，高于此标准为癌症宫颈组织。当被 检生物样本为人体肠部组织时，则荧光寿命值以1.5-1.9纳秒为诊断标准，此诊断值可能因 系统不同略有不同，若样本的荧光寿命值低于此标准值为肠癌组织，高于此标准值为正常 组织。当被检生物样本为人体肺组织时，荧光寿命值以1.7-2.1纳秒为诊断标准，此诊断值 可能因系统相应时间不同略有不同，若样本的荧光寿命值低于此标准诊断为肺癌组织，高 于此标准值为正常肺组织。
[0019]采用本发明装置，能直接检测出被检生物样本的荧光寿命信息，分别根据宫颈癌、 肠癌或肺癌的荧光寿命诊断标准值，实现对宫颈癌、肠癌或肺癌的诊断。这种癌症诊断的方 法和装置的优点是:原理简单，操作简便，检测速度快，灵敏度高，特异性高，有利于实现临 床诊断中快速准确地诊断宫颈癌、肠癌或肺癌。该方法对组织癌变后荧光寿命变化明显的 多种癌症种类均有效，并不局限于实例所列的种类。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明的一种用于癌症诊断的方法和系统的装置示意图。
[0021] 图2是采用本发明装置，测得的宫颈组织样本的寿命信息和组织细胞形态图。
[0022] 图3是采用本发明装置，测得的肠组织和肺组织样本的寿命信息。
[0023] 图1中标号：1为激光光源，2，3为反射镜组，4为双色镜，5为第一会聚透镜组，6为扫 描集成小型化模块或光纤探针，7为被检样本，8为第二反射镜，9为第二会聚透镜组，10为滤 色片，11为光电探测器，12为计算机，13为显示屏，14为同步信号。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图及实施例进一步描述本发明。
[0025] 实施例1，按照图1制作一台本发明的结合多光路探测生物样本自体荧光寿命用于 癌症诊断的装置。激发光源1发出皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光;激发光发出的激光经反射 镜组2和3的反射将激发光调整至双色镜4;该双色镜4对激发光完全反射;被反射的激光通 过第一会聚透镜组5的会聚进入扫描集成小型化模块或光纤探针6;扫描集成小型化模块或 光纤探针6将会聚后的激发光聚焦于被检生物样本上;被检生物样本发出的自体荧光通过 扫描集成小型化模块或光纤探针6,再经过第一会聚透镜组5的会聚于双色镜4;双色镜4将 自体荧光完全透射;透射后的自体荧光由第二反射镜8的反射;反射后的自体荧光经过第二 会聚透镜组9的会聚于滤色片10;滤色片10滤掉可能存在的被双色镜4透射的激发光；自体 荧光被光电探测器11探测;与此同时激发光的同步信号14传输到主计算机12的数据采集板 中，经光电探测器11放大后的信号经设有时间相关单光子计数器的主计算机12处理，最后 通过荧光寿命处理软件拟合出荧光寿命信息(或荧光寿命图像信息）。
[0026] 实施例2,按照实施例1实施:首先对人体宫颈组织进行荧光寿命成像的测量，系统 中的结构6为包含自聚焦透镜结构的扫描小型化模块及其连接线。使用50MHz、405 nm波长 的皮秒脉冲激光对被检宫颈组织的荧光物质进行激发，激光聚焦尺寸约为1-30微米，在荧 光采集光路中的滤色片为430 nm高通的截止滤波片。经光电倍增管11放大后的信号由设有 时间相关单光子计数器的主机12处理后，通过荧光寿命处理软件拟合荧光寿命值并获得荧 光寿命图像的结果，如图2所示。
[0027] 通过使用本发明方法和装置对人体宫颈组织进行荧光寿命成像测量的结果如图2 所示，图2的左、右两幅图分别为宫颈组织的荧光寿命成像图和荧光寿命衰减曲线。使用本 发明装置进行荧光寿命成像的测量结果能够清晰的显示正常和癌变宫颈组织在形态和结 构上的区别。经过荧光寿命软件处理后得到的荧光寿命值分别为1.28纳秒和2.03纳秒。使 用本发明方法中对于诊断宫颈癌的荧光寿命诊断标准，针对该系统而言，诊断标准为1.60 纳秒，样本的荧光寿命值低于此标准为正常宫颈组织，高于此标准为癌症宫颈组织。因此可 诊断出1.28纳秒为正常和2.03纳秒为癌变宫颈组织，与病理检查结果一致。该方法取得了 与病理检测一致的结果，但是比传统病理检测方法迅速、敏感。
[0028]实施例3,按照实施例1实施:对人体肠组织进行荧光寿命的测量。使用50MHz、405 nm波长的皮秒脉冲激光对被检肠组织的荧光物质进行激发，在荧光采集光路中的滤色片为 430 nm高通的截止滤波片。经光电倍增管11放大后的信号由设有时间相关单光子计数器的 主机12处理后，通过荧光寿命处理软件拟合后的荧光寿命衰减曲线如图3(左)所示，得到的 荧光寿命值分别为1.49纳秒和1.95纳秒。使用本发明方法中诊断肠癌的荧光寿命诊断标 准，针对该系统而言，诊断标准为1.67纳秒，样本的荧光寿命值低于此标准值为肠癌组织， 高于此标准值为正常组织。因此可诊断出1.95纳秒为正常和1.49纳秒为癌变肠组织，与病 理检查结果一致。
[0029]实施例4，按照实施例1实施:对人体肺组织进行荧光寿命的测量。使用50MHz、405 nm波长的皮秒脉冲激光对被检肺部组织的荧光物质进行激发，在荧光采集光路中的滤色片 为430 nm高通的截止滤波片。经光电倍增管11放大后的信号由设有时间相关单光子计数器 的主机12处理后，通过荧光寿命处理软件拟合后的荧光寿命衰减曲线如图3(右)所示，得到 的荧光寿命值分别为1.61纳秒和2.15纳秒。使用本发明方法中诊断肺癌的荧光寿命诊断标 准，针对该系统而言，诊断标准为1.92纳秒，样本的荧光寿命值低于此标准诊断为肺癌组 织，高于此标准值为正常肺组织。因此可诊断出2.15纳秒为正常和1.61纳秒为癌变肺组织， 与病理检查结果一致。
[0030]本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制， 本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于自体荧光寿命的癌症诊断系统，其特征在于，由激光光源，反射镜组，双色 镜，第一会聚透镜组，扫描集成小型化模块或光纤探针，第二反射镜，第二会聚透镜组，滤色 片，探测器，计算机，显示屏，同步信号组成;其中： 所述激光光源，用于产生对被检生物样本中自体荧光物质的激发光； 所述反射镜组，与所述激光光源连接，用于将所述的激发光调整至双色镜； 所述双色镜，与所述反射镜组连接;双色镜用于将激发光和被检生物样本的自体荧光 分离； 所述第一会聚透镜组，与所述双色镜连接，用于会聚所述激发光和自体荧光； 所述扫描集成小型化模块或光纤探针，与所述第一会聚透镜组连接，用于实现对被检 生物样本的扫描或对活体组织的内窥检查； 所述第二反射镜，与所述双色镜连接，用于反射被检样本的自体荧光至滤色片； 所述第二会聚透镜组，用于会聚由第二反射镜反射的自体荧光至滤色片； 所述滤色片，与所述第二会聚透镜组连接，用于滤掉激发光； 所述光电探测器，与所述滤色片连接，用于探测被检生物样本的自体荧光信息； 所述计算机，与所述扫描集成小型化模块、光电探测器以及同步信号连接;计算机安装 有硬件模块：时间相关单光子数据采集卡、激光和光电探测器功率控制卡、扫描模块控制 卡，还安装有软件模块:荧光寿命数据采集和处理软件、激光和光电探测器功率控制软件、 扫描模块控制软件;其中，时间相关单光子数据采集卡用于获取并处理来自于光电探测器 的信号;激光和光电探测器控制卡与激光光源以及光电探测器连接，用于控制激光光源和 光电探测器的输出功率;扫描模块控制卡与扫描集成小型化模块连接，用于控制扫描模块； 荧光寿命数据采集软件用于给出采集指令至采集卡，并显示采集状态；荧光寿命数据处理 软件用于处理来自于荧光寿命数据采集软件的图像和寿命数据;激光和光电探测器功率控 制软件用于控制激光和光电探测器的开关状态以及功率大小;扫描模块控制软件用于调整 扫描区域、速度这些扫描参数，并给出扫描指令； 所述显示屏，用于显示以上相关软件的操作界面，并显示出有关数据和图像信息； 所述同步信号由激发光源输出，并送入扫描集成小型化模块和计算机，用于同步触发 扫描信号和时间相关单光子计数器。2. 根据权利要求1所述的基于自体荧光寿命的癌症诊断系统，其特征在于，所述的激发 光源采用高重复频率的皮秒或飞秒脉冲激光器，其中，皮秒脉冲激光器用于对被检生物样 本浅层组织中自体荧光物质的单光子激发，飞秒脉冲激光器用于对被检生物样本深层组织 中自体荧光物质的多光子激发。3. 根据权利要求2所述的基于自体荧光寿命的癌症诊断系统，其特征在于，所述激光器 的波长允许变化范围从近紫外到近红外，根据被检生物样本荧光物质、探测深度要求选择 不同波长和脉冲宽度进行检测。4. 根据权利要求1、2或3所述的基于自体荧光寿命的癌症诊断系统，其特征在于，被检 生物样本自体荧光寿命信息根据样本所含成分不同利用单e指数、双e指数或多e指数模型 进行拟合。5. 根据权利要求4所述的基于自体荧光寿命的癌症诊断系统，其特征在于，根据样品均 匀性不同，选择激光器聚焦的范围从低于1微米到几百微米。6. 根据权利要求1、2、3或5所述的基于自体荧光寿命的癌症诊断系统，其特征在于，所 述被检生物样本是生物组织切片或活体内的组织。7. 根据权利要求6所述的基于自体荧光寿命的癌症诊断系统，其特征在于，如果被检测 样本是生物组织切片，则扫描集成小型化模块或光纤探针及其连接线从系统中去除，从而 简化诊断系统;如果这时需要增加成像功能，从而辅助寻找目标位置，则用扫描集成小型化 模块;如果被检测样本是活体组织，则用光纤探针，从而实现活体内窥镜检测。8. 根据权利要求1、2、3、5或7所述的基于自体荧光寿命的癌症诊断系统，其特征在于， 所述扫描集成小型化模块主要由自聚焦透镜、反射镜和微型电机组成;其中，自聚焦透镜用 于聚焦激发光于反射镜;反射镜与微型电机连接，通过控制微型电机的电压参数来调节反 射镜的旋转角度、旋转速度，进而实现激发光对被检生物样本不同区域大小的扫描成像。9. 根据权利要求8所述的基于自体荧光寿命的癌症诊断系统，其特征在于，所述的光纤 探针由一根多模光纤，一根单模光纤和一个小型化连接头组成。10. 根据权利要求1、2、3、5、7或9所述的基于自体荧光寿命的癌症诊断系统，其特征在 于，所述的光电探测器是灵敏度高、响应快的光电倍增管、光电倍增管阵列、互补金属氧化 物半导体或电荷耦合元件。
【文档编号】G01N21/64GK106092996SQ201610626465
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月3日 公开号201610626465.7, CN 106092996 A, CN 106092996A, CN 201610626465, CN-A-106092996, CN106092996 A, CN106092996A, CN201610626465, CN201610626465.7
【发明人】糜岚, 王梦妍
【申请人】复旦大学