专利名称：一种荧光介观成像和oct联合的早期宫颈癌检测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于生物医学工程技术领域，涉及一种早期宫颈癌检测系统。
背景技术：
宫颈癌是女性第二大常见的恶性肿瘤，每年全世界新增宫颈癌患者约51万，约30万妇女死于宫颈癌。宫颈癌的主要致病因素之一是HPV感染，HPV感染的少数会发展为宫颈上皮内瘤变I (CINI)jCINI中的10-20%会发展成更为严重的CIN2、CIN3，5% -12%的CIN2和CIN3在8-10年内会发展为癌变，一旦形成浸润癌则生长迅速，如不及时诊断治疗，患者将于2-5年内死亡。因此在CIN2和CIN3阶段进行正确的诊断和治疗是非常必要的。目前临床采用诊断宫颈癌的方法是:首先采用巴氏涂片筛查，然后用阴道镜检查并对可疑区域进行活检。此种检查方法虽然灵敏性较高(87-99%)但特异性却较低(23-87%)，其诊断结果的准确率更多地依赖于医师的经验，因此，最终必须依靠病理学检查作组织病变程度的判断。这样的过程无疑既增加了患者的痛苦和花费，又延误了治疗时间。光学方法检测早期宫颈癌是近几年发展起来的一门医学诊断方法，其物理基础为癌症导致组织结构和细胞形态的变化，并引起功能代谢活动的改变，进而导致组织光学性质(吸收、散射、荧光)的变化。对鳞柱交界处的CIN2/3级病变的诊断要求成像深度为毫米量级、空间分辨率几百微米范围，属于介观、中等空间分辨率成像范畴。而目前光学宫颈癌早期诊断主要采用激光扫描共聚焦显微成像(LSCM)、光学相干层析成像技术(0CT)、近红外漫射光检测技术(DOT)、光谱成像技术。LSCM属于微观形态成像，其空间分辨率高，约为
IU m,但成像深度仅约为300 u m。OCT属于介观形态成像，其空间分辨率和成像深度满足要求，对CIN2诊断的灵敏度高，但特异性仅约为60%，单独使用情况下实现早期诊断比较困难。DOT属于宏观功能成像，分辨率较低。光谱成像属于宏观功能成像，已获得美国食品和药物管理局(FDA)认证的基于光谱成像的设备LUMA，系统的空间分辨率较低，约2mm。目前针对宫颈癌的介观功能成像方法还未见报道。本发明将研究介观功能层析成像方法，并进一步研究其与介观形态学成像-光学相干层析成像(Optical CoherenceTomography, OCT)的联合成像方法，在现有检查手段已具有较高灵敏度的基础上，提供功能与结构相融合的补充信息以提高宫颈癌诊断的特异性。在近年的研究中，多种成像模态结合以提供相互佐证的信息成为研究热点，例如阴道镜与OCT结合、阴道镜与LSCM结合等，今后将结构成像与功能成像相结合是发展方向之一。另外由于荧光在识别早期宫颈癌中具有灵敏度高和特异性强的特点，基于荧光的成像方法也发展迅速，例如利用内荧光剂嘌呤二核苷酸(NADH)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的成像，还有借助于外荧光剂吖啶黄以提高对比度的方法。在我国，用于小动物、乳腺等宏观成像的漫射光层析成像、荧光分子层析成像、荧光寿命显微成像研究、OCT和光声成像研究等取得了重要的进展。在体宫颈癌光学成像方面，北京大学深圳医学院研究了 OCT成像辅助醋白诊断对灵敏度的提高，本发明组发展了针对宫颈管的癌症诊断的系统和方法，但满足宫颈管成像要求的DOT成像方法尚不能满足对CIN2或CIN3进行诊断的要求。
综上可以看出:(1)由于CIN从上皮的基底层开始并向表层增长，若实现对鳞柱交界处CIN2/3级病变的诊断，探测深度约为毫米量级，其成像范围属于介观成像；(2)目前用于宫颈癌检测的宏观成像的空间分辨率为毫米到厘米，介观成像的空间分辨率为几十到几百微米，微观成像的空间分辨率约为几微米；介观和微观领域还只有形态学成像，而无功能型成像方法，今后发展中等空间分辨率(几百微米)的功能型成像方法将是提高宫颈癌诊断特异性的方向之一 ；(3)不同成像方式的结合提供相互佐证的信息，可望极大地提高诊断的灵敏度和特异性，功能型成像和形态学成像的结合是今后的发展方向之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种能够提高早期宫颈癌诊断特异性的荧光介观成像和OCT联合成像系统。本发明在阴道镜对全宫颈进行高灵敏度成像的基础上，进行局部的高空间分辨率形态学成像和中等空间分辨率功能型成像，其中高空间分辨率层析成像采用现有技术OCT成像法，而中等空间分辨率层析成像采用荧光介观成像法。本发明的技术方案如下:一种用于早期宫颈癌检测的荧光介观成像和OCT联合成像系统，包括荧光介观成像系统和光谱OCT系统，其中，所述的突光介观成像系统包括激光光源(I)、起偏器(2)、偏振光分光镜(3)、第一二向色镜(4 )、第二二向色镜(5 )、与所述的光谱OCT系统共用的x-y扫描振镜(6 )和物镜
(7)、荧光检测部分、漫射光检测部分和计算机；所述的光谱OCT系统包括低相干光源(13)、光纤分束器(14)、聚焦透镜(17)、与所述的荧光介观成像系统共用的x-y扫描振镜(6)和物镜(7)、光谱仪(19)；由激光光源(I)生成的紫外光束激发光经过起偏器(2 )被滤去s态偏振光后，依次透过偏振光分光镜(3)和第一二向色镜(4)后经由第二二向色镜(5)反射；由低相干光源(13)发出的近红外光经光纤分束器(14)分为参考光和样品光，其中样品光经聚焦透镜(17)准直后被反射镜(18)转折光路，被转折的红外光束透过二向色镜(5)与滤去s态偏振光的紫外光束汇合；汇合后的入射光依次经过x-y扫描振镜(6)和物镜(7)后入射到组织表面；所述的x-y扫描振镜(6)由计算机控制，能够实现光束在探测面上二维扫描，增加光源点个数；物镜7用于将光束聚焦于待测组织表面，物镜(7)与x-y扫描振镜(6)的距离为物镜(7)的焦距；由组织表面反射的紫外漫反射光、荧光、红外漫反射光经由原光路返回，荧光被第一二向色镜(4)反射，由荧光检测部分检测的荧光信号被送入计算机；紫外漫反射光偏振光经由偏振光分光镜(3)反射，由漫反射光检测部分检测的紫外漫反射光信号被送入计算机；近红外漫反射光返回光纤分束器(14)后与参考光发生干涉，形成含有被测组织信息的干涉光，所述的光谱仪(19)对产生的干涉信号进行光谱展开，得到光谱解析干涉图样；光谱仪(19)将光谱解析干涉图样送入计算机，经反傅里叶变换处理后得到组织的OCT层析图像。作为优选实施方式，所述的荧光检测部分包括长通滤波片(8)和偏振片(10)和第一光电倍增管阵列模块(21)，通过长通滤波片再次滤除激发光，接着通过偏振片(10)，将组织镜面反射光为主要组成部分的P光滤除，允许S态偏振光通过，第一光电倍增管(PMT)阵列模块(21)检测的荧光信号被送入计算机；根所述的紫外漫反射光检测部分包括长通滤波片(10 )和聚焦透镜(11)和第二光电倍增管阵列模块(22 )，通过长通滤波片(11)再次滤除激发光，接着通过聚焦透镜(11)将光束汇聚到第二光电倍增管阵列模块(22 )。针对目前宫颈癌检测成像方法特异性低的问题，本发明将介观功能型层析成像与形态学联合，通过组织功能信息与组织形态学信息的相互佐证提高诊断特异性。本发明具有如下的优势: 本发明提出了适合于早期宫颈癌检测的介观功能成像装置，即荧光介观成像。宫颈鳞柱交界处的CIN2/3级病变成像属于介观、中等空间分辨率成像范畴。然而目前针对宫颈癌的介观功能成像方法还未见报道，而目前功能成像的空间分辨率(几毫米以上)还较低。荧光介观成像是中等空间分辨率的介观功能型成像方法，弥补了此领域的空缺。 本发明提出的适合于早期宫颈癌检测的荧光介观成像装置，可以同时实现同轴和离轴的漫射光的探测，因而无需进行深度的扫描。由于荧光介观成像是依靠散射从而获得离轴的背散射光，因此可以实现比共聚焦扫描更深的探测深度。 本发明将介观功能层析成像和介观形态层析成像相结合，提高了宫颈癌诊断特异性，克服了目前宫颈癌检测方法特异性低的缺点。系统对患者同时进行OCT和荧光介观成像的测量。由于OCT图像与荧光介观成像的图像是由一套扫描系统获得的，因此无需复杂的图像配准问题。OCT—方面获得组织 结构的信息，另一方面其提供的上层组织厚度信息输入到荧光介观成像的图像重建算法中，从而进一步减少荧光介观成像的图像重建逆问题的病态性，提高重建图像的空间分辨率和量化度。其中高空间分辨率的形态成像提供结构信息为解释功能图像的对比度提供帮助，而功能成像虽然只提供中等空间分辨率但对生物化学或分子信息敏感，对评价组织的生理变化十分重要，因此二者的相互佐证则提高宫颈癌诊断的特异性。
图1是本发明介观功能型层析和形态层析联合成像系统原理框图。其中，实线代表共轴光束，虚线代表离轴光束。图2是本发明PMT阵列及信号处理模块框3a是光信号传入路径，图3b为信号返回路径其中:1:紫外光源2:起偏器3:偏振光分光镜4: 二向色镜5:二向色镜6:x_y扫描振镜7:物镜8:长通滤波片9:聚焦透镜10:偏振片11:聚焦透镜12:数据采集卡13:低相干光源14:光纤分束器15:光纤延迟线16:光纤端面17:聚焦透镜18:反射镜
19:光谱仪20:计算机21:PMT阵列及信号处理模块22 =PMT阵列及信号处理模块23:待测组织
具体实施例方式本发明提供了一种用于早期宫颈癌检测的荧光介观成像和OCT联合成像系统，在阴道镜对全宫颈进行高灵敏度成像的基础上，进行局部的高空间分辨率形态学成像和中等空间分辨率功能型成像，以功能与结构相融合的补充信息来提高宫颈癌诊断的特异性。参见图1，本发明提出的适合于早期宫颈癌检测的荧光介观成像和OCT联合成像系统，包括含有紫外激光源和传递，转折、改变激光偏振性的光路、定位接受光束的探测器及探测器控制处理部分、数据采集卡的荧光介观成像系统；包括含有近红外激光源和光纤分束器及光谱仪的光谱OCT系统；包括荧光介观成像和光谱OCT系统共用的扫描部分；包括与荧光介观成像系统和光谱OCT系统连接的可操作计算机。由于OCT图像与荧光介观成像的图像是由一套扫描系统获得的，因此无需复杂的图像配准问题。该计算机将OCT获得的上层组织厚度信息输入到荧光介观成像的图像重建算法中，从而减少荧光介观成像的图像重建逆问题的病态性，提高重建图像的空间分辨率和量化度。(一)本发明功能成像部分是所述的荧光介观成像系统，包括光源部分、光路部分、探测器部分及探测器控制处理部分、数据采集和处理部分。1.所述的紫外光源采用488nm的半导体激发器I作为光源。这是由于早期宫颈癌诊断的光学成像依赖于出射光携带的癌变信息，在紫外和可见区域，光和宫颈组织的相互作用主要有吸收、散射和荧光等。相比于利用吸收和散射这样的内生对比度进行成像，基于外荧光的成像对癌症的 诊断具有特异性高的优点。本发明采用吖啶黄作为外荧光剂来诊断早期宫颈癌，其激发光波长为488nm。所述紫外光源的作用为:(I)荧光介观成像系统的漫射光检测；(2)荧光介观成像系统的荧光检测。2.所述光路部分包括—起偏器2,其作用是将激光变为p态偏振光,改变入射光束的偏振态有利于系统滤除组织镜面反射光。—偏振光分光镜3,置于起偏器2后,允许p分量通过,而反射s偏振分量的光。入射光路中，其作用为二次滤除s态偏振光，返回光路中，其作用为滤除P态偏振光，反射需检测的s态偏振光；一二向色镜4，其作用体现在返回光路中，允许荧光通过，而滤除激发光；一二向色镜5，反射低波段的光，透高波段的光，即反射激发光和荧光，透OCT系统发出的红外光；— x-y扫描振镜6，实现光束在探测面上二维扫描，增加光源点个数，系统的分辨率由其X振镜及y振镜的旋转角度及扫描振镜与物镜的距尚决定，本发明的分辨率为200um ；一物镜7，将光束聚焦于待测组织表面。其中物镜7与x-y扫描振镜的距离为物镜7的焦距flens7，否则，返回的同轴光束和离轴光束无法稳定地入射到x-y扫描振镜上。同样的，待测组织23也位于物镜7的焦平面上。
入射到组织中的p偏振光经多次散射后偏振性减弱，最终成为p态、s态混合光，并同组织镜面反射光(依旧为P态偏振光)一同沿光路返回，此时大部分的P态偏振光为镜面反射光，不包含组织信息，因此将在返回光路中滤除P态偏振光；一长通滤波片8，允许荧光通过，滤除激发光；一偏振片10，将组织镜面反射光滤除，允许s态偏振光通过，起衰减光强及过滤的作用。需要注意的是，系统同时测量同轴光束和离轴光束，为检测到大部分的离轴光束，应尽量使x-y扫描振镜6与聚焦透镜9、11间的距离短，并且应选择大尺寸的二向色镜4、偏振光分光镜3、偏振镜10、长通滤波片8、聚焦透镜9、11。3.所述探测器部分包括探测器阵列和信号处理模块21，22，其中探测器采用PMT阵列，以满足对微弱漫射光、微弱荧光的探测需要；并使荧光介观成像同时实现了同轴和离轴的漫射光的探测，即同时实现不同距离的光的探测，PMT阵列上不同位置的光信息对应于组织体表面不同探测距离的信息，通过PMT阵列实现了不同平均光穿透深度下出射光的测量。由于可以同时实现同轴和离轴的漫射光的探测，荧光介观成像无需进行深度的扫描。PMT阵列的位置和待测组织的位置是共轭的。由物镜7和聚焦透镜9、11决定系统放大倍率,即
权利要求
1.一种荧光介观成像和OCT联合的早期宫颈癌检测系统，包括荧光介观成像系统和光谱OCT系统，其中， 所述的突光介观成像系统包括激光光源(I)、起偏器(2 )、偏振光分光镜(3 )、第一二向色镜(4)、第二二向色镜(5 )、与所述的光谱OCT系统共用的x-y扫描振镜(6 )和物镜(7 )、荧光检测部分、漫射光检测部分和计算机； 所述的光谱OCT系统包括低相干光源(13)、光纤分束器(14)、聚焦透镜(17)、与所述的荧光介观成像系统共用的x_y扫描振镜(6)和物镜(7)、光谱仪(19)； 由激光光源(I)生成的紫外光束激发光经过起偏器(2)被滤去s态偏振光后，依次透过偏振光分光镜(3)和第一二向色镜(4)后经由第二二向色镜(5)反射； 由低相干光源(13)发出的近红外光经光纤分束器(14)分为参考光和样品光,其中样品光经聚焦透镜(17)准直后被反射镜(18)转折光路，被转折的红外光束透过二向色镜(5)与滤去s态偏振光的紫外光束汇合； 汇合后的入射光依次经过x_y扫描振镜(6)和物镜(7)后入射到组织表面；所述的x-y扫描振镜(6)由计算机控制，能够实现光束在探测面上二维扫描，增加光源点个数；物镜7用于将光束聚焦于待测组织表面，物镜(7)与x-y扫描振镜(6)的距离为物镜(7)的焦距。
由组织表面反射的紫外漫反射光、荧光、红外漫反射光经由原光路返回，荧光被第一二向色镜(4)反射，由荧光检测部分检测的荧光信号被送入计算机；紫外漫反射光偏振光经由偏振光分光镜(3)反射，由漫反射光检测部分检测的紫外漫反射光信号被送入计算机；近红外漫反射光返回光纤分束器(14)后与参考光发生干涉，形成含有被测组织信息的干涉光，所述的光谱仪(19)对产生的干涉信号进行光谱展开，得到光谱解析干涉图样；光谱仪(19)将光谱解析干涉图样送入计算机，经反傅里叶变换处理后得到组织的OCT层析图像。
2.根据权利要求1所述的荧光介观成像和OCT联合的早期宫颈癌检测系统，其特征在于，所述的荧光检测部分包括长通滤波片(8)和偏振片(10)和第一光电倍增管阵列模块(21 )，通过长通滤波片再次滤除激发光，接着通过偏振片(10)，将组织镜面反射光为主要组成部分的P光滤除，允许s态偏振光通过，第一光电倍增管(PMT)阵列模块(21)检测的荧光信号被送入计算机。
3.根据权利要求1所述的荧光介观成像和OCT联合的早期宫颈癌检测系统，其特征在于，所述的紫外漫反射光检测部分包括长通滤波片(10)和聚焦透镜(11)和第二光电倍增管阵列模块(22 )，通过长通滤波片(11)再次滤除激发光，接着通过聚焦透镜(11)将光束汇聚到第二光电倍增管阵列模块(22)。
全文摘要
本发明属于生物医学工程技术领域，涉及一种用于早期宫颈癌检测的荧光介观成像和OCT联合成像系统，包括荧光介观成像系统和光谱OCT系统。荧光介观成像系统包括激光光源、起偏器、偏振光分光镜、第一二向色镜、第二二向色镜、与光谱OCT系统共用的x-y扫描振镜和物镜、荧光检测部分、漫射光检测部分和计算机；光谱OCT系统包括低相干光源、光纤分束器、聚焦透镜、x-y扫描振镜、物镜、光谱仪；由激光光源生成的紫外光束经过起偏器、偏振光分光镜和第一二向色镜后经由第二二向色镜反射；由低相干光源发出的样品经聚焦透镜准直后与紫外光束汇合。本发明通过组织功能信息与组织形态学信息的相互佐证提高诊断特异性。
文档编号G01N21/19GK103163111SQ20131005851
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月25日 优先权日2013年2月25日
发明者赵会娟, 崔姗姗, 贾梦宇, 高峰 申请人:天津大学