一种利用机体生物光子辐射进行乳腺癌早期筛查的系统的制作方法

本实用新型涉及一种利用机体生物光子辐射进行乳腺癌早期筛查的系统。

背景技术：

生物系统的超微弱生物光子辐射(UPE)是自然界一个普遍的生命现象，是生物体固有的一种功能，主要来源于机体新陈代谢过程中生物分子从高能态向低能态的跃迁。这种光子发射极其微弱，对生物系统内、外环境的变化有高度的灵敏性，它携带着丰富的生命信息，与生物体的细胞分裂、氧化代谢、能量转化、信息传递、生长调控、肿瘤发生及死亡等重要生命过程密切相关，为生命科学的研究带来了新的动力和技术支持，已成为当前生物光子相关学科重要的研究方向之一，具有快速、灵敏、无损、可靠的优点。

乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一，在全球范围内已经成为威胁女性健康的头号杀手。在我国，其发病率也呈逐年上升趋势。早期发现、早期诊断、早期手术治疗是降低死亡率、提高患者术后生存质量、改善预后的关键，而早期诊断无疑起着至关重要的作用。目前临床上用于乳腺癌早期诊断的影像方法有超声、钼靶X线、近红外影像诊断及MRI。其中，超声因简单、无创、可反复进行、适合任何年龄等优点已成为诊断乳腺疾病的常规检查方法之一，但其有一定局限性，有研究表明，直径大于2cm的肿瘤血流检出率为100％，直径小于1cm的肿瘤难以检出血流信号，特别是小乳癌的误诊率较高；作为乳腺癌主流诊断技术的钼靶软X射线诊断是发现和检查早期乳腺异常的一种较为敏感的方法，对大乳房和脂肪型乳房的诊断率高达95％以上，但不适合检查小乳房和腺体组织致密的患者，不容易检查出近胸壁的乳腺组织，而且其产生的放射线对正常人体细胞具有杀伤作用，一般认为35岁以下的正常人群的早期体检筛查不宜用钼靶，且每年的钼靶软X线检查不应多于1次；而近红外影像诊断是无损伤、可反复检查的新诊断技术，但假阳性率偏高，目前受到医学界的质疑；作为最新的乳腺疾病检查手段，MRI对于乳腺癌检查的敏感度较高，可达97.4％，单因检查费用高昂以及对人体有损害，不作为乳腺癌“初筛”的主要检查手段。因此，寻找一种既对肌体无损伤又足够探测灵敏度和信息量的其他检测方法作为初筛中其他诊断的辅助诊断和补充诊断具有重要意义。

当前关于生物光子辐射与肿瘤相关性的研究大都集中在分子、细胞和组织水平，而直接通过探测人体生物光子辐射的变化来进行肿瘤的早期筛查的研究尚未见报道。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本实用新型的目的提供一种利用机体生物光子辐射进行乳腺癌早期筛查的系统，该筛查系统的灵敏度高、操作简单、对人体无损，可用于乳腺癌的早期筛查，具有极大的应用前景。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种利用机体生物光子辐射进行乳腺癌早期筛查的系统，包括：

暗室，用于为机体自发光子辐射提供完全黑暗的环境，以消除外界光源的干扰；

光子探测装置，用于将光信号转换成电信号，对机体自发光子进行检测；

可移动支架，所述可移动支架位于暗室内，包括支架本体和工作头，所述光子探测装置安装在工作头上；

数据处理装置，用于接收来自光子探测装置检测到的机体自发光子辐射信息，并对信息进行处理：一方面计算不同部位的信号强度均值(K)及不同部位信号强度之间的比值(R)以消除不同个体间的差异，另一方面构建Fano因子曲线，对Fano因子曲线进行二阶多项式拟合，得到基于Fano因子曲线的斜率和截距的乳腺癌判断回归方程；

Y＝p₀+p₁X+p₂X²

其中X表示不同时间间隔，Y表示不同时间间隔的F值，p₀是Fano因子曲线的截距，p₁是斜率。

综合考虑上述计算指标，若待测者的上述两种或两种以上指标较正常人相比出现异常(K、P₀、P₁高于正常人，R出现明显波动)，则判定待测者具有罹患乳腺癌的风险。

本实用新型中的“正常人”为生物学意义的健康人群，未患有乳腺癌。

需要说明的是，对于所获得的数据而言，参数p₀和p₁已可从本质上描述Fano因子曲线的初始形状，而参数p₂数值非常小，计算过程中常可忽略不计，因此，本实用新型将参数p₂忽略，不作为乳腺癌判断的考察指标。

上述利用机体生物光子辐射进行乳腺癌早期筛查的系统，还包括：探测床，所述探测床位于暗室内，供待测者平躺进行自发光子探测检查。

优选的，所述暗室的屋顶、地面和墙面均涂成黑色，暗室的门外设有黑色的门帘；进一步的，所述暗室的尺寸优选设计为2.7m×2m×2.6m(长×宽×高)，该尺寸设计一方面能够满足待测者的活动需求和光子探测装置的检测需求，另一方面，还能节约检测的成本。

优选的，所述光子探测装置包括：

光电倍增管(PMT)，包括光电发射阴极(光阴极)、聚焦电极、电子倍增极和电子收集极(阳极)；可以将微弱的光信号转换成电信号。其工作原理是当光子打到光阴极时，光阴极即发射电子，这些电子在外磁场(或电场)的作用下逐渐加速，然后聚焦于第一次极。由于电子对次级的撞击使其产生更多的电子，它们再被聚焦于第二次极。这样，一般经十次以上倍增，放大倍数可达到10⁸～10¹⁰，最后放大后的电子信号被阳极接收并输出，具有高增益、快速的时间响应、低暗计数率等特点。

制冷系统，所述制冷系统安装在光电倍增管的周围，用于对光电倍增管进行降温，以达到降低系统噪声的目的，进而提高了光电倍增管的灵敏度和准确度。

高压电源，所述高压电源的输出电压的调控范围为+20V到+2000V。

光子计数器，所述光子计数器能把光电倍增管里的单个光电子通过内置放大器和甄别电路转换成5V的数字信号显示，具有高速电子线路，能实现10⁷s^-1的测量，拥有÷10和÷1两档，可根据所测信号的强度选择其中一档。

优选的，所述工作头上设有垂直驱动电机和水平驱动电机，通过垂直驱动电机和水平驱动电机驱动，在支架本体上上下和水平移动；其中，可水平移动的距离为400mm，上下移动的距离为640mm。

所述垂直驱动电机的功率为90W，速比1:5；水平驱动电机功率30W，速比1:10。

所述乳腺癌判断回归方程的构建过程为：

(1)按式1和式2计算测得的机体自发生物光子辐射强度的均值(K)和方差(V)，

K_obs＝K_sig-K_bg (式1)

V_obs＝V_sig-V_bg (式2)；

其中，K_obs为测得的机体信号强度，K_sig为机体本身的信号强度，K_bg为系统本底+暗室噪声强度；同样，V_obs为测得的机体信号方差，V_sig为机体本身的信号方差，V_bg为系统本底+暗室噪声方差；

(2)探测得到的信号(observe data)为时间间隔为50ms的数据，将50ms的数据点通过合并分别得到100ms，150ms，200ms，……，600s的不同时间间隔的数据；然后，分别计算这些不同时间间隔的数据的F值，以时间间隔为横坐标，F值为纵坐标作图得到的曲线为Fano因子曲线；再对Fano因子曲线进行二阶多项式拟合，即得乳腺癌判断回归方程；

所述F值的计算公式为：

本实用新型的利用机体生物光子辐射进行乳腺癌早期筛查的系统的操作具体包括如下步骤：

(1)测试前准备：提前两小时打开实验室空调，温度调节至25℃，环境湿度控制在40％-50％之间。同时打开光子探测装置，设置相应的参数，探测系统噪声的变化。

(2)测试过程：

1)待系统稳定后，首先测试系统的本底噪声(BG)和系统本底+暗室噪声(SE)；

2)噪声探测完后，受试者进入暗室，躺在暗室中的床上，摆好位置，露出双侧乳房。

3)将左乳房指定的几个部位分别正对光电倍增管，通过可移动支架调整光电倍增管到皮肤的距离为一定值，然后点击“Measure”，开始计数，一个部位测试完后更换另一个部位，测试顺序如下：左侧乳房几个部位→膻中穴→右侧乳房相应的部位；

4)最后再次重复测试系统的本底噪声(BG)和系统本底+暗室噪声(SE)；

5)测量完成，数据导出，对比分析处理。

(3)数据处理：

计算的相关参数主要包括自发生物光子辐射的强度和Fano因子曲线的斜率和截距等。

①自发生物光子辐射强度的计算。首先将测得的自发生物光子辐射的强度减去系统本底噪声和暗室噪声，即(机体自发光子强度+系统本底噪声强度+暗室噪声强度)-(系统本底噪声强度+暗室噪声强度)，得到机体本身的发光强度，为了消除不同个体间由于多种不可控因素如体重等不同所导致的差异，我们计算左右乳房对应部位的自发生物光子辐射强度的比值以及左、右乳房几个部位分别与膻中穴的自发生物光子辐射强度的比值。

②Fano因子曲线的斜率和截距。首先计算测得的机体自发生物光子辐射强度的均值(K)和方差(V)，如下：

K_obs＝K_sig-K_bg (1)

V_obs＝V_sig-V_bg (2)

其中，K_obs为测得的机体信号强度，K_sig为机体本身的信号强度，K_bg为系统本底+暗室噪声强度；同样，V_obs为测得的机体信号方差，V_sig为机体本身的信号方差，V_bg为系统本底+暗室噪声方差。

我们探测得到的信号(observe data)为时间间隔为50ms的数据，将50ms的数据点通过合并分别得到100ms，150ms，200ms，……，600s的不同时间间隔的数据。然后，分别计算这些不同时间间隔的数据的F值，以时间间隔为横坐标，F值为纵坐标作图得到的曲线为Fano因子曲线。

Fano因子(F)的计算公式为：

最后，我们对Fano因子曲线进行二阶多项式拟合，公式如下：

Y＝p₀+p₁X+p₂X² (4)

其中X表示不同时间间隔，Y表示不同时间间隔的F值，p₀是Fano因子曲线的截距，p₁是斜率。机体自发生物光子辐射信号的Fano因子曲线的斜率和截距可反映信号的整体特性，随机体生理病理状态不同而发生变化。

(4)结果分析。

对于乳腺癌患者来说，由于患病部位的代谢发生显著改变，其患病侧乳房所测得的自发生物光子辐射信号会随之发生显著的变化，所测得的左右乳房对应部位的自发生物光子辐射强度的比值以及左、右乳房几个部位分别与膻中穴的自发生物光子辐射强度的比值与健康人相比发生明显的偏离；同时，患病侧乳房的自发生物光子辐射信号的Fano因子曲线的斜率和截距较未患病侧亦发生明显的偏离。正是基于此，乳房部位的自发生物光子辐射信号的探测可作为乳腺癌初筛中其他诊断的辅助诊断和补充诊断方法。

本实用新型中，根据对Fano因子曲线进行二阶多项式拟合，得到的基于Fano因子曲线的斜率和截距的乳腺癌判断回归方程，将待测者的截距(p₀)和斜率(p₁)与正常人进行比较，并结合待测者几个探测部位的所得到的强度均值(K)及不同部位之间强度的比值(R)，若待测者的上述两种或两种以上指标较正常人相比出现异常(K、P₀、P₁高于正常人，R出现明显波动)，则判定待测者具有罹患乳腺癌的风险。

本实用新型的有益效果：

(1)由于生物机体的自发生物光子的强度及其微弱，在测量过程中又受到多种因素的影响，很难被仪器捕捉到；采用本实用新型的利用机体生物光子辐射进行乳腺癌早期筛查的系统能够对机体的自发生物光子进行高灵敏度的检测，可以用于指示人体健康状态，诊断早期病理变化，具有快速、灵敏、可靠、对人体无损等优点，具有极大的应用前景。

(2)生物机体的自发生物光子辐射携带着丰富的生命信息，与机体的内部生理或病理状态密切相关，但如何从自发生物光子所携带的众多的生命信息中筛选出与疾病诊断有关的信息，一直是本领域的技术难点所在。本实用新型通过对机体的自发生物光子进行检测，并对检测到的自发生物光子信号进行处理，构建自发生物光子辐射信号的Fano因子曲线，首次建立了基于Fano因子曲线的斜率和截距对乳腺癌进行早期的筛查的方法，从而对是否患有乳腺癌进行初步诊断，可作为乳腺癌初筛中其他诊断的辅助诊断和补充诊断方法。

附图说明

图1：本实用新型的利用机体生物光子辐射进行乳腺癌早期筛查的系统的结构示意图；其中，1：暗室，2：光子探测装置，3：可移动支架，4：探测床，5：数据处理装置；

图2：光子探测装置的结构示意图；其中，2-1：光电倍增管，2-2：制冷系统，2-3：高压电源，2-4：光子计数器；

图3：可移动支架的结构示意图；其中，3-1：支架本体，3-2：工作头；

图4：利用本实用新型的系统对乳腺癌进行早期筛查的操作示意图；

图5：利用本实用新型的系统对乳腺癌进行早期筛查的测试方法流程示意图；

图6：乳腺癌患者与正常人膻中穴生物光子辐射的Fano因子曲线的截距(A)与斜率(B)值；其中，1：乳腺癌患者的截距，2：正常人的截距，3：乳腺癌患者的斜率，4：正常人的斜率。

具体实施方式

结合实施例对本实用新型作进一步的说明，应该说明的是，下述实施例说明仅是为了解释本实用新型，并不对其内容进行限定。

实施例1：

一种利用机体生物光子辐射进行乳腺癌早期筛查的系统，如图1所示，包括：

暗室1，用于为机体自发光子辐射提供完全黑暗的环境，以消除外界光源的干扰；所述暗室1的屋顶、地面和墙面均涂成黑色，暗室1的门外设有黑色的门帘；所述暗室1的尺寸设计为2.7m×2m×2.6m(长×宽×高)，该尺寸设计一方面能够满足待测者的活动需求和光子探测装置的检测需求，另一方面，还能节约检测的成本。

位于暗室1内的光子探测装置2，用于将光信号转换成电信号，对机体自发光子进行探测；该光子探测装置2(结构示意图如图2所示)包括：

光电倍增管2-1(PMT)，该光电倍增管2-1包括光电发射阴极(光阴极)、聚焦电极、电子倍增极和电子收集极(阳极)；可以将微弱的光信号转换成电信号。其工作原理是当光子打到光阴极时，光阴极即发射电子，这些电子在外磁场(或电场)的作用下逐渐加速，然后聚焦于第一次极。由于电子对次级的撞击使其产生更多的电子，它们再被聚焦于第二次极。这样，一般经十次以上倍增，放大倍数可达到10⁸～10¹⁰，最后放大后的电子信号被阳极接收并输出，具有高增益、快速的时间响应、低暗计数率等特点。

制冷系统2-2，所述制冷系统2-2安装在光电倍增管2-1的周围，用于对光电倍增管2-1进行降温，以达到降低系统噪声的目的，进而提高了光电倍增管2-1的灵敏度和准确度。

高压电源2-3，所述高压电源2-3与光电倍增管2-1相连，高压电源2-3的输出电压的调控范围为+20V到+2000V。

光子计数器2-4，所述光子计数器2-4能把光电倍增管2-1里的单个光电子通过内置放大器和甄别电路转换成5V的数字信号显示，具有高速电子线路，能实现10⁷s^-1的测量，拥有÷10和÷1两档，可根据所测信号的强度选择其中一档。

可移动支架3，所述可移动支架3位于暗室1内，可移动支架3的结构示意图如图3所示，包括支架本体3-1和工作头3-2，所述光子探测装置2安装在工作头3-2上；工作头3-2通过垂直驱动电机和水平驱动电机驱动，可在支架本体3-1上水平和上下移动；其中，可水平移动的距离为400mm，上下移动的距离为640mm。

所述垂直驱动电机的功率为90W，速比1:5；水平驱动电机功率30W，速比1:10。

探测床4，所述探测床4位于暗室1内，供待测者平躺进行自发光子探测检查。

数据处理装置5，用于接收来自光子探测装置2检测到的机体自发光子辐射强度信息，并对信息进行处理，构建Fano因子曲线，对Fano因子曲线进行二阶多项式拟合，得到基于Fano因子曲线的斜率和截距的乳腺癌判断回归方程；

Y＝p₀+p₁X+p₂X²

其中X表示不同时间间隔，Y表示不同时间间隔的F值，p₀是Fano因子曲线的截距，p₁是斜率。

实施例2：

采用本实用新型实施例1的利用机体生物光子辐射进行乳腺癌早期筛查的系统的操作，具体包括如下步骤：

(1)测试前准备：提前两小时打开实验室空调，温度调节至25℃，环境湿度控制在40％-50％之间。同时打开光子探测装置，设置相应的参数，探测系统噪声的变化。

(2)测试过程：

1)待系统稳定后，首先测试系统的本底噪声(BG)和系统本底+暗室噪声(SE)；

2)噪声探测完后，受试者进入暗室，躺在暗室中的床上，摆好位置，露出双侧乳房。

3)将左乳房指定的几个部位分别正对光电倍增管，通过可移动支架调整光电倍增管到皮肤的距离为一定值，然后点击“Measure”，开始计数，一个部位测试完后更换另一个部位，测试顺序如下：左侧乳房几个部位→膻中穴→右侧乳房相应的部位；

4)最后再次重复测试系统的本底噪声(BG)和系统本底+暗室噪声(SE)；

5)测量完成，数据导出，对比分析处理。

(3)数据处理：

计算的相关参数主要包括自发生物光子辐射的强度和Fano因子曲线的斜率和截距等。

①自发生物光子辐射强度的计算。首先将测得的自发生物光子辐射的强度减去系统本底噪声和暗室噪声，即(机体自发光子强度+系统本底噪声强度+暗室噪声强度)-(系统本底噪声强度+暗室噪声强度)，得到机体本身的发光强度，为了消除不同个体间由于多种不可控因素如体重等不同所导致的差异，我们计算左右乳房对应部位的自发生物光子辐射强度的比值以及左、右乳房几个部位分别与膻中穴的自发生物光子辐射强度的比值。

②Fano因子曲线的斜率和截距。首先计算测得的机体自发生物光子辐射强度的均值(K)和方差(V)，如下：

K_obs＝K_sig-K_bg (1)

V_obs＝V_sig-V_bg (2)

其中，K_obs为测得的机体信号强度，K_sig为机体本身的信号强度，K_bg为系统本底+暗室噪声强度；同样，V_obs为测得的机体信号方差，V_sig为机体本身的信号方差，V_bg为系统本底+暗室噪声方差。

我们探测得到的信号(observe data)为时间间隔为50ms的数据，将50ms的数据点通过合并分别得到100ms，150ms，200ms，……，600s的不同时间间隔的数据。然后，分别计算这些不同时间间隔的数据的F值，以时间间隔为横坐标，F值为纵坐标作图得到的曲线为Fano因子曲线。

Fano因子(F)的计算公式为：

最后，我们对Fano因子曲线进行二阶多项式拟合，公式如下：

Y＝p₀+p₁X+p₂X² (4)

其中X表示不同时间间隔，Y表示不同时间间隔的F值，p₀是Fano因子曲线的截距，p₁是斜率。机体自发生物光子辐射信号的Fano因子曲线的斜率和截距可反映信号的整体特性，随机体生理病理状态不同而发生变化。

(4)结果分析。

通过实验研究发现，对于乳腺癌患者来说由于患病部位的代谢发生显著改变，其患病侧乳房所测得的自发生物光子辐射信号会随之发生显著的变化，患病侧乳房的自发生物光子辐射信号的Fano因子曲线的斜率和截距较未患病侧常发生明显的增高趋势，且患者膻中穴生物光子辐射信号的Fano因子曲线的斜率和截距明显高于正常人(以膻中穴为例比较乳腺癌患者与正常人的自发生物光子辐射的Fano因子曲线的截距与斜率值得不同，如图6：10个乳腺癌患者与正常人膻中穴生物光子辐射的Fano因子曲线的截距(A)与斜率(B)值所示)，从而对是否患有乳腺癌进行初步诊断，可作为乳腺癌初筛中其他诊断的辅助诊断和补充诊断方法。