CN115067880A - 荧光信号探测系统及探测方法 - Google Patents

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王强斌
黄浩颖
吴峰
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Abstract

本发明公开了一种荧光信号探测系统及探测方法，该探测系统包括荧光激发光源、探头、探测单元以及显示单元。所述荧光激发光源用以产生荧光材料被激发所需的激发光；所述探头用以接收和出射所述激发光，并可获取荧光材料被激发所产生的荧光信号；所述探测单元用以采集经所述探头获取的所述荧光信号，并将所述荧光信号转换成可被显示的荧光信息；所述显示单元与所述探测单元通信连接，并显示所述荧光信息。本发明的荧光信号探测系统，能够以无损害的方式实现对自由移动生物体(活体、非麻醉)的生物体病灶部位的检测。

Description

荧光信号探测系统及探测方法
技术领域
本发明是关于荧光信号成像技术领域，特别是关于一种荧光信号探测系统及探测方法。
背景技术
近红外(NIR，650-1700nm)荧光成像技术作为一种新兴的活体成像手段，不仅具有快速成像、多通道信号采集、高灵敏度和无辐射等光学成像优势，同时也克服了传统荧光成像穿透深度受限和生物自发荧光干扰等局限性，可提供在体高时空分辨率的结构和功能信息。以吲哚菁绿(ICG)为例，近红外荧光成像技术已经在淋巴结活检，手术导航等领域得到了广泛的应用。进一步地，随着分子影像技术和纳米药物研究的飞速发展，多种复合型的近红外荧光探针在临床样品的分子检测和病理分型中也发挥着精准诊疗的重要作用。并且，在很多应用场景中，光谱信息、荧光信号强度等指标也能为临床提供丰富、直观的诊断依据。
目前发展的多种荧光成像设备体量大、操作复杂、便携度差，不仅限制了成像的角度和方法，更对患者的配合度提出了较高的要求；另外，复合型荧光影像信息仍需要进行后期的数据处理与分析，限制了荧光成像技术在临床应用中的推广。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种荧光信号探测系统及探测方法，该探测系统能够以无损害的方式实现对自由移动生物体(活体、非麻醉)的生物体病灶部位的检测。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种荧光信号探测系统，包括荧光激发光源、探头、探测单元以及显示单元。
所述荧光激发光源用以产生荧光材料被激发所需的激发光；
所述探头用以接收和出射所述激发光，并可获取荧光材料被激发所产生的荧光信号；
所述探测单元用以采集经所述探头获取的所述荧光信号，并将所述荧光信号转换成可被显示的荧光信息；
所述显示单元与所述探测单元通信连接，并显示所述荧光信息。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述探头具有可与皮肤表面固定的吸附结构。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述探头的吸附结构包括吸盘、贴片或夹片。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述探头内设置有可对激发光进行匀光的光学透镜组。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述系统还包括柔性的双向光传输模块，所述双向光传输模块设置于所述探头、所述荧光激发光源以及所述探测单元之间。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述双向光传输模块包括柔性的光传输体，所述光传输体连接于所述荧光激发光源和所述探头之间，以及连接于所述探头和所述探测单元之间，用以将所述激发光传输至所述探头，并将所述探头获取的荧光信号传输至所述探测单元。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述系统还包括定位于所述探测单元前方的滤光片模组，所述滤光片模组用以过滤去除由所述探头获取的与所述荧光信号混合的杂光信号，以使所述探测单元能获取高信噪比的荧光信号。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述滤光片模组包括多层用于过滤或吸收杂光信号的介质膜或者吸收膜，所述滤光片模组可供单一波段或多个波段的荧光信号通过。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述系统还包括控制单元，所述控制单元与所述荧光激发光源和所述探测单元连接，用以控制所述荧光激发光源发出激发光的起止时间、脉冲频率和光功率，并控制所述探测单元以一定时间频率采集所述荧光信号。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述探测单元还包括输入输出模块，所述输入输出模块与所述控制单元和所述显示单元连接，用于接收所述控制单元发送的控制指令和向所述显示单元传送可识别的荧光信息。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述系统还包括触发开关，所述触发开关连接所述控制单元，用于控制所述控制单元的信号通断，以使所述控制单元可被控制的控制所述荧光激发光源发出激发光，所述触发开关包括踩踏式开关，按键式开关，扳机式开关。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述探测单元的荧光信号响应波段为900-1700nm，所述探测单元能将该波段的荧光信号转化为所述显示单元可识别的荧光信息，所述荧光信息包括荧光图像信息、荧光强度信息、荧光光谱信息。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述荧光激发光源包括激光器、固态光源以及LED发光器件，所述荧光激发光源所发出的激发光的覆盖波段为350-1700nm，所述激发光为波长可调的脉冲式激发光。
本发明还提供了一种荧光信号探测方法，包括：
向生物体内施加荧光材料以对病灶部位进行标记；
将激发光引导至生物体病灶部位，并激发所述荧光材料；
采集荧光材料被激发产生的荧光信号，并将所述荧光信号转换成可显示的荧光信息。
在本发明的一个或多个实施方式中，激发光的波段在500nm-1550nm。
在本发明的一个或多个实施方式中，该方法还包括对荧光信号中混合的激发光信号进行过滤。
在本发明的一个或多个实施方式中，以一定的时间频率采集荧光信号。
与现有技术相比，本发明实施方式的荧光信号探测系统，可在不影响生物正常生理状态下，实现对生物体无损、原位的病灶检测。
本发明实施方式的荧光信号探测系统，由于在探头上设置有吸附结构，可以与被检测的生物体固定贴合接触，即使在生物体活动的情况下，荧光信号的激发与获取都可较为稳定，更有利于病灶检测准确性。
本发明实施方式的荧光信号探测系统，设置有柔性的光传输体，具有质量轻、可弯曲的特点，其能随被检测生物体的移动而移动，配合具有吸附结构的探头，能以无损害的方式实现对自由移动生物体(活体、非麻醉)的生物体病灶部位的检测。
本发明实施方式的荧光信号探测系统，具有900-1700nm波段荧光的高穿透深度和高信噪比的优势，并且获取的荧光信息包含成像与光谱，病灶信息更为全面。
本发明实施方式的荧光信号探测系统，因能实现生物体无损的病灶检测，且检测过程中生物体正常的生理活动不影响荧光信号的稳定性，使得该系统在生物体的临床病灶检测等领域具有更优和更广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明一实施方式的荧光信号探测系统的结构示意图；
图2是本发明一实施方式的荧光信号探测方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，本发明一实施方式提供了一种荧光信号探测系统，包括荧光激发光源10、探头20、探测单元30、滤光片模组40、光传输结构50、控制单元60以及显示单元70。
荧光激发光源10用以产生荧光材料被激发所需的激发光，激发光为波长可调的脉冲式激发光。激发光波段覆盖350-1700nm，优选的，激发光波段覆盖500-1550nm。荧光激发光源10可以为激光器、固态光源以及窄带LED发光器件，例如808激光器。
探头20通过光传输结构50连接荧光激发光源10，用以向生物体传输激发光，并获取被激发光激发的生物体内的荧光信号。探头20可以具有一探测壳体，探测壳体上开设有一用于使激发光通过的光传输口。探测壳体内设置有400-1700nm波段增透的光学透镜组，光学透镜组可将500-1550nm波段的激发光均匀、高效地通过光传输口，并辐照在生物体表面。探测壳体的光传输口处设置有可与生物体固定贴合接触的吸附结构，吸附结构可以以生物体无害的吸盘或粘附的形式附着在生物体被探测部位皮肤表面。
在一具体实施例中，吸附结构包括吸盘、贴片或夹片。探头20被使用时，通过吸附结构固定吸附在生物体表面。该生物体表面为被荧光探针(荧光材料)标记的生物体病灶部位最近处的生物体皮肤表面。探头20向被荧光探针标记的生物体病灶部位传输激发光，并获取被荧光探针标记的生物体病灶部位的荧光信号。其中，被荧光探针标记的生物体病灶部位是生物体中需要被检测的部位，如肾脏、肝脏、乳腺、颈动脉等器官，通过静脉注射、原位注射等手段，使发射900-1700nm波段的荧光的探针在该部位特异性结合。
探测单元30用以采集经探头20获取的荧光信号，并将荧光信号转换成可被显示的荧光信息。探测单元30的荧光信号响应波段为900-1700nm，探测单元30能将该波段的荧光信号转化为显示单元70可识别的荧光信息，荧光信息包括荧光图像信息、荧光强度信息、荧光光谱信息。在一具体实施例中，探测单元30可以为任何能实现900-1700nm波段荧光信号转换为显示单元70可识别的荧光信息的器件，例如900-1700nm铟镓砷探测器，900-1700nm光谱仪，CCD，SCOMS。
探测单元30还包括输入输出模块，输入输出模块与控制单元60和显示单元70连接，用于接收控制单元60发送控制指令和向显示单元70传送显示单元70可识别的荧光信息，如荧光强度图像和荧光光谱图像信息。
滤光片模组40设置于探测单元30的前方，滤光片模组40用以过滤去除由探头30获取的与荧光信号混合的杂光信号，以使探测单元30能获取高信噪比的荧光信号。滤光片模组40可以手动或电动切换，典型案例为10-55mm直径的900nm长通滤光片、1000nm长通滤光片、1300nm长通滤光片等。滤光片模组40包括多层用于过滤或吸收杂光信号的介质膜或者吸收膜，能将探头20获取的激发光滤除，并将荧光信号高效透过。滤光片模组40可供单一波段或多个波段的荧光信号通过。
光传输结构50包括柔性的光传输体51，光传输体51连接于荧光激发光源10和探头20之间，以及连接于探头20和滤光片模组40以及探测单元30之间，用以将激发光传输至探头20，并将探头20获取的荧光信号传输至滤光片模组40和探测单元30。激发光和荧光信号的双向传输可以走相同通道，也可以双通道旁轴异向。柔性的光传输体51的主要特点为质量轻、可弯曲，能随被检测生物体的移动而移动，其与具有吸附结构的探头20相互配合，能以无损害的方式实现对自由移动生物体(活体、非麻醉)的生物体病灶部位的检测。柔性的光传输体51例如可以为石英光纤束，可以是单一芯径，也可以是多芯径。
控制单元60与荧光激发光源10和探测单元30连接，用以控制荧光激发光源10发出激发光的起止时间、脉冲频率和光功率，并控制探测单元30以一定时间频率采集荧光信号。控制单元60例如为采集卡等多功能I/O设备，由labview等软件编程实现计算机语言控制，多个电信号发送和接收接口，发送和接收TTL信号，并对发送和接收TTL信号予以时钟顺序。
控制单元60上还连接设置有触发开关，触发开关用于控制控制单元60向荧光激发光源10发送产生激发光的触发信号的通断，以使控制单元60可被控制(检测过程中人为控制)的控制荧光激发光源10发出激发光，触发开关可以包括踩踏式开关，按键式开关，扳机式开关。
显示单元70与探测单元30通信连接，用于接收并显示探测单元30转换的荧光信息。显示单元70还可以对荧光信息进行处理以利于医学诊断。显示单元70例如为电脑主机或电脑显示单元。
本发明还提供了一种荧光信号探测方法，包括：向生物体内施加荧光材料以对病灶部位进行标记；将覆盖波段在500nm-1550nm的激发光引导至生物体病灶部位，并激发荧光材料；以一定的时间频率采集荧光材料被激发产生的荧光信号，对荧光信号中混合的激发光信号进行过滤后，将荧光信号转换成可显示的荧光信息。
参考图2所示，在以下实施例中，结合图2对本发明的荧光信号探测方法作展开阐述。
首先将探头20固定在生物体待探测部位最近处的皮肤表面。由于探头20吸附结构的存在，此吸附过程可保证不影响生物体的正常生理特性。
通过静脉注射或者原位注射，将900-1700nm波段的荧光探针a(例如ICG、Ag2S等)输送到生物体体内，荧光探针a使生物体待测病灶部位g显像。
通过控制程序b(控制程序b可以被人为设定，以使控制单元60根据控制程序b控制相应部件协同配合运作)使控制单元60向荧光激发光源10发送TTL信号c以及向探测单元30发送TTL同步控制信号d，使荧光激发光源10和探测单元30按控制程序b所设计的工作步骤工作，具体工作过程如下：
荧光激发光源10产生激发光h，激发光h由光纤耦合传输依次通过柔性的光传输体51和探头20，由探头20均匀的辐照生物体待测病灶部位g；
生物体待测病灶部位g有900-1700nm波段荧光探针a富集，因此生物体待测病灶部位g会产生荧光信号e；
荧光信号e依次传输通过探头20、柔性的光传输体51、滤光片模组40，以高信噪比进入探测单元30(900-1700nm荧光信号探测器)；
探测单元30(900-1700nm荧光信号探测器)在控制单元60的指令下，以一定的时间间隔(例如30s)对荧光信号e进行获取，并将该荧光信号e转换为显示单元70可识别的荧光信息f(如荧光强度图像、荧光光谱图像)；
显示单元70对获取的具有时间间隔的荧光信息f进行处理呈现给测试人(医生)，测试人(医生)通过荧光信息f随时间间隔的差异，对生物体的待检测部位的病灶情况做出判断。
与现有技术相比，本发明实施方式的荧光信号探测系统，可在不影响生物体正常生理状态下，实现对生物体无损、原位的病灶检测。
本发明实施方式的荧光信号探测系统，由于在探头上设置有吸附结构，可以与被检测的生物体固定贴合接触，即使在生物体活动的情况下，荧光信号的激发与获取都可较为稳定，更有利于病灶检测准确性。
本发明实施方式的荧光信号探测系统，设置有柔性的光传输体，具有质量轻、可弯曲的特点，其能随被检测生物体的移动而移动，配合具有吸附结构的探头，能以无损害的方式实现对自由移动生物体(活体、非麻醉)的生物体病灶部位的检测。
本发明实施方式的荧光信号探测系统，具有900-1700nm波段荧光的高穿透深度和高信噪比的优势，并且获取的荧光信息包含成像与光谱，病灶信息更为全面。
本发明实施方式的荧光信号探测系统，因能实现生物体无损的病灶检测，且检测过程中生物体正常的生理活动不影响荧光信号的稳定性，使得该系统在生物体的临床病灶检测等领域具有更优和更广泛的应用前景。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种荧光信号探测系统，其特征在于，包括：
荧光激发光源，用以产生荧光材料被激发所需的激发光；
探头，用以接收和出射所述激发光，并可获取荧光材料被激发所产生的荧光信号；
探测单元，用以采集经所述探头获取的所述荧光信号，并将所述荧光信号转换成可被显示的荧光信息；
显示单元，与所述探测单元通信连接，并显示所述荧光信息。
2.如权利要求1所述的荧光信号探测系统，其特征在于，所述探头具有可与皮肤表面固定的吸附结构。
3.如权利要求2所述的荧光信号探测系统，其特征在于，所述吸附结构包括吸盘、贴片或夹片。
4.如权利要求1所述的荧光信号探测系统，其特征在于，所述探头内设置有可对激发光进行匀光的光学透镜组。
5.如权利要求1所述的荧光信号探测系统，其特征在于，所述系统还包括柔性的双向光传输模块，所述双向光传输模块设置于所述探头、所述荧光激发光源以及所述探测单元之间。
6.如权利要求1所述的荧光信号探测系统，其特征在于，所述系统还包括设置于探头和探测单元之间的滤光片模组。
7.一种荧光信号探测方法，其特征在于，包括：
向生物体内施加荧光材料以对病灶部位进行标记；
将激发光引导至生物体病灶部位，并激发所述荧光材料；
采集荧光材料被激发产生的荧光信号，并将所述荧光信号转换成可显示的荧光信息。
8.根据权利要求7所述荧光信号探测方法，其特征在于，激发光的波段在500nm-1550nm。
9.根据权利要求7所述荧光信号探测方法，其特征在于，还包括对荧光信号中混合的激发光信号进行过滤。
10.根据权利要求7所述荧光信号探测方法，其特征在于，以一定的时间频率采集荧光信号。
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