專利名稱：一種獲取組織顯微層析像及光譜的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)的方法和裝置，特別涉及到利用光纖共聚焦系統(tǒng)探測(cè)組織后向散射信號(hào)光，探測(cè)器分別接收顯微層析像和光譜信息，并通過計(jì)算機(jī)顯示的組織圖像和光譜進(jìn)行癌癥的早期診斷。
背景技術(shù)：
世界衛(wèi)生組織早在2002年公布的調(diào)查報(bào)告就顯示全球每年有6,000,000多人死于癌癥，出現(xiàn)10,000,000以上新的癌癥病例。一個(gè)導(dǎo)致癌癥高發(fā)病率和死亡率的主要原因是現(xiàn)有的醫(yī)療檢測(cè)手段還不能或有效地檢測(cè)或確診癌癥早期。發(fā)展非損傷的、活體的并且實(shí)時(shí)的檢測(cè)癌癥早期的技術(shù)非常必要。共聚焦反射顯微成像術(shù)可以通過橫向二維掃描和縱向一維掃描獲取組織內(nèi)幾百微米范圍不同斷層的信息，重構(gòu)出具有微米量級(jí)分辨率的組織層析圖像。隨著快速掃描，微細(xì)加工和光纖技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合共聚焦顯微成像技術(shù)的新型(光纖)共聚焦顯微鏡已出現(xiàn)。它能實(shí)時(shí)，無損傷地獲取人體組織內(nèi)部形態(tài)信息。目前，新型(光纖)共聚焦顯微鏡面臨的一個(gè)主要問題是它僅提供組織細(xì)胞和細(xì)胞核的形態(tài)變化信息。但是，癌變組織細(xì)胞的形變相對(duì)于組織的生物化學(xué)成份變化而言是個(gè)比較長(zhǎng)期的過程。實(shí)驗(yàn)證明，正常組織細(xì)胞與癌變組織細(xì)胞的可見光反射光譜特性有顯著區(qū)別。癌變組織早期尚未產(chǎn)生顯著組織形變時(shí)，細(xì)胞內(nèi)就含有豐富的去氧血紅蛋白，能夠?qū)е路瓷涔庾V的顯著改變，可以用來對(duì)于早期癌變進(jìn)行診斷。因此，除收集癌變組織的顯微形變信息以外，有必要獲取生化成份的光譜，根據(jù)光譜及時(shí)發(fā)現(xiàn)組織生化成份的早期變化以便對(duì)癌癥實(shí)施全面而及時(shí)的診斷。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)不能同時(shí)提供組織內(nèi)細(xì)胞和細(xì)胞核的形態(tài)變化信息和生化成份的變化信息，本發(fā)明提出一種基于光纖共聚焦系統(tǒng)獲取組織顯微層析像及光譜的方法和裝置，能夠無損地及時(shí)發(fā)現(xiàn)組織內(nèi)部細(xì)胞和細(xì)胞核的形態(tài)變化以及生化成份的變化，為癌癥早期檢查提供有力的幫助。
為了解決其技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是基于光纖共聚焦系統(tǒng)提出一種獲取組織顯微層析像及光譜的裝置，其特點(diǎn)是，它包括一白光源，用于提供照明光；一準(zhǔn)直透鏡和一耦合透鏡，用于調(diào)整照明光束和信號(hào)光束；一由單模光纖和探頭連接構(gòu)成的光纖共聚焦系統(tǒng)；一個(gè)分束器，實(shí)現(xiàn)光纖共聚焦系統(tǒng)接收到人體組織內(nèi)光纖端面共軛點(diǎn)上的后向散射信號(hào)光和照明光分離；一個(gè)分束器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的分離；一由會(huì)聚透鏡、針孔和光電倍增管構(gòu)成的光電倍增管探測(cè)器，用于接收總信號(hào)光強(qiáng)；
一個(gè)由透射光柵或閃耀光柵、會(huì)聚透鏡及線陣CCD構(gòu)成的CCD探測(cè)器，用于接收透射光柵或閃耀光柵分光后各波段對(duì)應(yīng)的信號(hào)光強(qiáng)；一計(jì)算機(jī)，用于處理由探測(cè)器獲取的信號(hào)、顯示人體組織圖信息和光譜信息并發(fā)出掃描控制指令。
所述的光纖共聚焦系統(tǒng)的探頭包括掃描裝置和成像透鏡組，所述的掃描裝置為由微型光纖掃描器或微機(jī)電光束掃描器和氣體或液體軸向調(diào)焦裝置組成的三維掃描器。
基于上述裝置實(shí)現(xiàn)的獲取組織顯微層析像及光譜的方法，特點(diǎn)是，步驟為1.將白色照明光導(dǎo)入單模光纖和探頭構(gòu)成的光纖共聚焦系統(tǒng)；2.經(jīng)光纖共聚焦系統(tǒng)的白光在人體組織內(nèi)0-250μ的深度上會(huì)聚，根據(jù)光纖共聚焦顯微成像原理，光纖共聚焦系統(tǒng)僅接收組織內(nèi)光纖端面共軛點(diǎn)上的后向散射信號(hào)光；3.上述由光纖共聚焦系統(tǒng)接收的組織內(nèi)光纖端面共軛點(diǎn)上的后向散射信號(hào)光通過光纖和分束器后分別進(jìn)入光電倍增管探測(cè)器和CCD探測(cè)器，光電倍增管接收總信號(hào)光強(qiáng)，線陣CCD接收經(jīng)透射光柵或閃耀光柵分光后各波段對(duì)應(yīng)的信號(hào)光強(qiáng)；4.所述的信號(hào)光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大和采集后，輸入計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)顯示組織的圖像和光譜并發(fā)出掃描控制指令。
利用圖像和光譜檢測(cè)組織是否發(fā)生早期癌變對(duì)比正常組織的細(xì)胞和細(xì)胞核形態(tài)以及生物化學(xué)成份的光譜，根據(jù)細(xì)胞和細(xì)胞核的幾何形態(tài)的變化以及生化成份光譜的變化可以檢測(cè)組織是否發(fā)生早期癌變。
本發(fā)明結(jié)合了光纖共聚焦后向散射成像技術(shù)和光譜檢測(cè)技術(shù)，提出適用于獲取組織層析像、光譜的方法和裝置，能實(shí)時(shí)獲取活體組織微米數(shù)量級(jí)的三維形態(tài)圖像，以及組織內(nèi)生化成份的光譜信息，根據(jù)圖像和光譜確定組織內(nèi)細(xì)胞和細(xì)胞核的形態(tài)變化和生化成份的變化。這就解決了目前技術(shù)不能同時(shí)獲取組織內(nèi)細(xì)胞和細(xì)胞核的形態(tài)變化以及生化成份的變化的技術(shù)問題。


圖1是本發(fā)明的裝置示意圖；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
一種獲取組織顯微層析像及光譜的裝置，由圖1所示，其特點(diǎn)是，它包括一白光源1，用于提供照明光；一準(zhǔn)直透鏡2和一耦合透鏡4，用于調(diào)整照明光束和信號(hào)光束，一由單模光纖5和由掃描裝置6和成像透鏡組7構(gòu)成的探頭連接構(gòu)成的光纖共聚焦系統(tǒng)，一掃描裝置6置于單模光纖5和探頭的成像透鏡組7之間；分束器3和分束器12，實(shí)現(xiàn)光纖共聚焦系統(tǒng)接收到人體組織內(nèi)光纖端面共軛點(diǎn)上的后向散射信號(hào)光和照明光分離，以及信號(hào)光的分離；一由會(huì)聚透鏡13、針孔14和光電倍增管15構(gòu)成的光電倍增管探測(cè)器，用于接收總信號(hào)光強(qiáng)；一個(gè)由透射光柵11、會(huì)聚透鏡10及線陣CCD9構(gòu)成的CCD探測(cè)器，用于接收透射光柵11分光后各波段對(duì)應(yīng)的信號(hào)光強(qiáng)；一計(jì)算機(jī)8，用于處理由探測(cè)器獲取的信號(hào)、顯示人體組織圖信息和光譜信息并發(fā)出掃描控制指令。
所述的光纖共聚焦系統(tǒng)的探頭包括掃描裝置6和成像透鏡組7，所述的掃描裝置為由微型光纖掃描器或微機(jī)電光束掃描器和氣體或液體軸向調(diào)焦裝置組成的三維掃描器。
本發(fā)明方法實(shí)施的具體步驟是步驟1白色照明光導(dǎo)入單模光纖和探頭構(gòu)成的光纖共聚焦系統(tǒng)在圖1中，白光源1發(fā)出的照明光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡2和耦合透鏡4進(jìn)入光纖共聚焦系統(tǒng)，采用準(zhǔn)直透鏡2有利于光的耦合和控制，分束器3可以采用薄膜分束器、立方體分束器或平板分束器，使照明光束和信號(hào)光束分離。耦合透鏡4要保證高的耦合效率，根據(jù)單模光纖5數(shù)值孔徑、幾何特征和入射光束直徑來設(shè)計(jì)。例如單模光纖5數(shù)值孔徑是0.1，纖芯直徑是8微米，入射光束直徑是4毫米，則耦合透鏡4的入瞳直徑是4毫米，數(shù)值孔徑是0.1，艾利斑的直徑在8微米左右，工作在衍射極限范圍，消色差，屬于無限遠(yuǎn)共軛距成像系統(tǒng)。同時(shí)，在耦合透鏡4和單模光纖5之間應(yīng)該放置匹配液，光纖端面作拋光處理，減小光纖端面的反射。
步驟2經(jīng)光纖共聚焦系統(tǒng)的白光在人體組織內(nèi)0-250μ的深度上會(huì)聚，根據(jù)光纖共聚焦顯微成像原理，光纖共聚焦系統(tǒng)僅接收組織內(nèi)光纖端面共軛點(diǎn)上的后向散射信號(hào)光光纖共聚焦系統(tǒng)使照明光在人體組織內(nèi)作三維掃描并獲取掃描點(diǎn)上的后向散射信號(hào)光，為了實(shí)現(xiàn)會(huì)聚光點(diǎn)在樣品中的掃描，探頭7可以利用以下掃描方案微型光纖掃描器或微機(jī)電光束掃描器結(jié)合氣體或液體的軸向調(diào)焦裝置。如果用于體內(nèi)的檢查，還必須根據(jù)醫(yī)用內(nèi)窺鏡的活檢通道尺寸來限定探頭的外徑和長(zhǎng)度。探頭成像透鏡組的設(shè)計(jì)要滿足單模光纖共聚焦成像原理。
在反射式光纖共聚焦系統(tǒng)中，橫向分辨率rt和軸向分辨率ra可分別表示成r1=λAπ2πnsina]]>ra=2nλA8π(nsina/2)2]]>式中n是物空間的折射率，nsina為探頭會(huì)聚透鏡在物空間的有效數(shù)值孔徑，A是光纖-集光透鏡參數(shù)，A＝(2πa0r0/λd1)2其中r0為光纖模場(chǎng)半徑，a0/d1為探頭集光透鏡的有效數(shù)值孔徑。
步驟2中用所述單模光纖5，則探頭7透鏡組在光纖端的有效數(shù)值孔徑設(shè)為0.1，在組織端的有效數(shù)值孔徑根據(jù)分辨率要求設(shè)計(jì)，靠近光纖端是油浸的而靠近組織端是水浸的，消像差。
步驟3上述由光纖共聚焦系統(tǒng)接收的組織內(nèi)光纖端面共軛點(diǎn)上的后向散射信號(hào)光通過光纖和分束器后分別進(jìn)入光電倍增管探測(cè)器和CCD探測(cè)器，光電倍增管接收總信號(hào)光強(qiáng)，線陣CCD接收經(jīng)透射光柵或閃耀光柵分光后各波段對(duì)應(yīng)的信號(hào)光強(qiáng)這是利用分光技術(shù)使兩個(gè)探測(cè)器分別接收總信號(hào)光強(qiáng)序列和各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)光強(qiáng)序列，分束器3和分束器12將通過單模光纖5傳遞的后向散射信號(hào)光分離，一路經(jīng)透鏡13會(huì)聚和針孔14濾波后由光電倍增管15接收，確保光電倍增管15僅接受掃描點(diǎn)處信號(hào)光的總強(qiáng)度；另一路經(jīng)透射光柵11分光后，總信號(hào)光強(qiáng)分解成各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)光強(qiáng)，這些不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光信號(hào)由處于透鏡10焦平面上的線陣CCD9的不同像素點(diǎn)接收。
步驟4上述的信號(hào)光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大和采集后，輸入計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)顯示組織的圖像和光譜并發(fā)出掃描控制指令這一步驟包括數(shù)據(jù)采集、處理和重構(gòu)，圖像和光譜的顯示，控制信號(hào)的發(fā)出。光電倍增管接收的信號(hào)經(jīng)放大、濾波和采集后輸入計(jì)算機(jī)，利用程序重構(gòu)出組織的三維層析顯微圖像，可以實(shí)時(shí)觀察組織細(xì)胞和細(xì)胞核的幾何形態(tài)；線陣CCD9接收的光譜信號(hào)也經(jīng)放大、濾波和采集后輸入計(jì)算機(jī)8處理后顯示或存儲(chǔ)，得到組織生化成份的光譜；同時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出掃描控制指令給探頭掃描裝置6。
本發(fā)明在獲取人體組織顯微層析像及光譜后，利用圖像和光譜來判斷人體組織是否發(fā)生早期癌變，對(duì)比在相同條件下獲取的正常組織的細(xì)胞和細(xì)胞核形態(tài)以及生化成份的可見光光譜，通過細(xì)胞和細(xì)胞核的形態(tài)變化以及光譜變化檢測(cè)組織是否發(fā)生早期癌變。
權(quán)利要求
1.一種獲取組織顯微層析像及光譜的裝置，其特征在于，它包括一白光源，用于提供照明光；一準(zhǔn)直透鏡和一耦合透鏡，用于調(diào)整照明光束和信號(hào)光束；一由單模光纖和探頭連接構(gòu)成的光纖共聚焦系統(tǒng)；一個(gè)分束器，實(shí)現(xiàn)光纖共聚焦系統(tǒng)接收到的人體組織內(nèi)光纖端面共軛點(diǎn)上后向散射信號(hào)光和照明光分離；一個(gè)分束器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的分離；一由會(huì)聚透鏡、針孔和光電倍增管構(gòu)成的光電倍增管探測(cè)器，用于接收總信號(hào)光強(qiáng)；一個(gè)由透射光柵或閃耀光柵、會(huì)聚透鏡及線陣CCD構(gòu)成的CCD探測(cè)器，用于接收透射光柵或閃耀光柵分光后各波段對(duì)應(yīng)的信號(hào)光強(qiáng)；一計(jì)算機(jī)，用于處理由探測(cè)器獲取的信號(hào)、顯示人體組織層析圖像信息和光譜信息并發(fā)出掃描控制指令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲取組織顯微層析像及光譜的裝置，其特征在于，所述的光纖共聚焦系統(tǒng)的探頭包括掃描裝置和成像透鏡組，所述的掃描裝置為由微型光纖掃描器或微機(jī)電光束掃描器和氣體或液體軸向調(diào)焦裝置組成的三維掃描器。
3.一種獲取組織顯微層析像及光譜的方法，其特征在于，方法步驟為1)將白色照明光導(dǎo)入單模光纖和探頭構(gòu)成的光纖共聚焦系統(tǒng)；2)經(jīng)光纖共聚焦系統(tǒng)的白光在人體組織內(nèi)0-250μ的深度上會(huì)聚，根據(jù)光纖共聚焦顯微成像原理，光纖共聚焦系統(tǒng)僅接收組織內(nèi)光纖端面共軛點(diǎn)上的后向散射信號(hào)光；3)上述由光纖共聚焦系統(tǒng)接收的組織內(nèi)光纖端面共軛點(diǎn)上的后向散射信號(hào)光通過光纖和分束器后分別進(jìn)入光電倍增管探測(cè)器和CCD探測(cè)器，光電倍增管接收總信號(hào)光強(qiáng)，線陣CCD接收經(jīng)透射光柵或閃耀光柵分光后各波段對(duì)應(yīng)的信號(hào)光強(qiáng)；4)所述的信號(hào)光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大和采集后，輸入計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)顯示組織的圖像和光譜并發(fā)出掃描控制指令。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于光纖共聚焦系統(tǒng)獲取組織顯微層析像及光譜的方法和裝置。白光源作照明光源；光纖共聚焦系統(tǒng)照明組織和獲取攜帶組織信息的信號(hào)光；采用兩種方式接收組織后向散射信號(hào)光；通過信號(hào)采集和處理，計(jì)算機(jī)顯示組織的層析像和生化成份的光譜，并控制掃描裝置運(yùn)行。對(duì)比正常組織的細(xì)胞和細(xì)胞核形態(tài)以及生化成份的光譜，根據(jù)形態(tài)差別和光譜差別診斷癌癥的早期病變。
文檔編號(hào)G01N21/84GK1961819SQ200610118100
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月9日
發(fā)明者陳家璧, 劉勇, 王成 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)