CN104849296A - 一种用于癌细胞检测的x荧光探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种用于癌细胞检测的X荧光探测系统，利用改变探测器的安装位置，可以改变康普顿效应的散射角，康普顿散射角会影响到康普顿散射射线的波长，当出射荧光射线的波长与康普顿散射波长相差较大时，可以通过光谱分析区分出来并剔除掉，减小康普顿效应的干扰，即满足康普顿散射角大于36度。在康普顿散射角为90度时，X荧光探测扇面最大，康普顿散射角为90度不仅能够很好地减小康普顿散射的影响，也能有利于获得最大的X荧光探测接收面，有利于提高系统的灵敏度。

Description

一种用于癌细胞检测的X荧光探测系统

技术领域

本发明属于测试测量与医学检测成像技术领域，特别涉及用于癌细胞检测的X荧光探测系统减小康普顿散射的方法。

背景技术

癌是全人类的敌人。为了战胜癌症，全世界几乎每一个国家都为抗癌研究花了大量的金钱和人力。目前，人类对癌已经有了比较深入的了解，也发明了许多有效的治疗方法。但是，一些人类的主要癌症如肺癌、肝癌、肾癌的发病率及死亡率仍居高不下，尽管目前科学家认为在下个世纪前10年人类对癌的治疗将有重大的突破，但即使如此，科学家认为也不能指望有一种简单和一劳永逸的方法来根除癌症。世界卫生组织下属的国际癌症研究机构于本月12日公布了有关全球癌症状况的最新数据——2012年全球肿瘤流行病统计数据，提供全球184个国家和地区、28种癌症的发病率、死亡率、患病率等方面相关数据。国际癌症研究机构重点强调了女性肿瘤的情况，并强调应优先考虑全球范围内对乳腺癌和宫颈癌展开预防和控制措施。数据显示：2012年全球新增约1410万例癌症病例，癌症死亡人数达820万，与之相比，2008年的数据分别为1270万和760万。世界范围内诊断的最常见癌症依次为肺癌(180万，13％)、乳腺癌(170万，11.9％)和结直肠癌(140万，9.7％)，最主要致死癌症为肺癌(160万，19.4％)、肝癌(80万，9.1％)和胃癌(70万，8.8％)。该机构根据现有数据预计，由于全球人口增长和老龄化，到2025年前，全球每年新增癌症病例数将高达1930万例。2012年，全球总数的一半以上癌症新增病例和癌症死亡人数发生在欠发达地区，分别为56.8％和64.9％,而这些比例将在2025年进一步增加。该机构表示：全球趋势表明，在经历快速社会和经济变化的发展中国家，生活方式的变化造成与生殖、饮食和激素等相关的癌症病例攀升。国际癌症研究机构称，造成这种显著差距的原因是欠发达地区缺乏有效的筛查和早期诊断及治疗服务。

随着人类对癌这一顽症认识的不断深化、逐渐意识到针对癌症的预防及治疗是现代医学领域的一个重要研究方向。纳米金粒子优异的表面性质和良好的生物相容性使得其在癌症的早期诊断和治疗具有很好的应用前景。当纳米金粒子在血液中流通时，由于肿瘤周围的漏水脉管系统和脆弱的淋巴引流系统的影响，肿瘤细胞相比于正常组织的细胞 会吸收更多的纳米金粒子。因此，纳米金粒子可结合X荧光探测器被用作造影剂来识别肿瘤的位置和肿瘤的特性。但无论是纳米金粒子还是X射线对人体都会造成一定的损伤，并且其伤害程度与使用的剂量直接相关。因此，利用X荧光分析装置进行癌细胞的检测与治疗中，在安全剂量的前提下，尽可能减少X射线和纳米金使用剂量也是非常重要的。因此，需要进一步提高X荧光探测装置的灵敏度。康普顿散射是X荧光探测系统中不可避免的干扰现象，会降低有效荧光的强度，降低信号的信噪比，直接影响到系统的灵敏度。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种用于癌细胞检测的X荧光探测系统，有效抑制探测过程中康普顿散射的影响，以提高X荧光探测系统的灵敏度。

技术方案：一种用于癌细胞检测的X荧光探测系统，包括X光光源、准直透镜、样品台、探测器；所述X光光源、准直透镜、样品台设置在同一直线上；所述探测器设置在样品台的一侧，探测器的接受面中心到样品台的中心所在直线与X光入射方向的直线夹角为康普顿散射角θ，所述康普顿散射角θ大于36°。

作为本发明的优选方案，所述康普顿散射角θ设置为90°。

有益效果：本发明的一种用于癌细胞检测的X荧光探测系统，利用改变探测器的安装位置，可以改变康普顿效应的散射角，康普顿散射角会影响到康普顿散射射线的波长，当出射荧光射线的波长与康普顿散射波长相差较大时，可以通过光谱分析区分出来并剔除掉，减小康普顿效应的干扰，即满足康普顿散射角大于36度。在康普顿散射角为90度时，X荧光探测扇面最大，康普顿散射角为90度不仅能够很好地减小康普顿散射的影响，也能有利于获得最大的X荧光探测接收面，有利于提高系统的灵敏度。

附图说明

图1为用于癌细胞检测的X荧光探测系统结构示意图；

图2为康普顿效应原理图；

图3为出射荧光原理图，(a)为原子处于稳态示意图，(b)为原子吸收X光照射处于激发态示意图，(c)为原子释放荧光恢复到稳态示意图；

图4为探测器不同的安装位置与荧光面的关系图；

图5为荧光面扇形角与各参数关系图；

图中，1-X光光源，2-准直透镜，3-探测器，4-探测器安装支架，5-样品，6-CCD， 7-X射线的入射光子hν,p，8-散射光的出射光子hν',p'，9-电子E_e,P_e，10-原子核，11-电子，12-X射线的入射光子，13-荧光的出射光子，14-探测器，15-探测器安装支架，16-荧光面，17-样品。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种用于癌细胞检测的X荧光探测系统，包括X光光源1、准直透镜2、样品台5、探测器3以及探测器安装支架4。X光光源1、准直透镜2、样品台5设置在同一直线上。样品台5可以是玻璃器皿，其中盛放样品溶液。X光光源1发射出的X射线经过准直透镜2后照射到样品溶液上。探测器3安装在样品台5的一侧的探测器安装支架4上，探测器3的光线接受面中心到样品台5的中心所在直线与X射线入射方向的直线夹角为康普顿散射角θ，该康普顿散射角θ需满足大于36°。由于位于样品台5中央的样品受到X光光源1照射后，样品会向四周发射出荧光射线，因此，探测器3可以设置在样品台5的水平一侧或其上方一侧。

康普顿效应是原子被X射线照射后，原子的最外层电子与光子产生碰撞，碰撞的过程中X射线的光子把一部分能量传递给电子后，电子脱离原子核的束缚成为自由电子，而光子的能量减少，产生波长比入射光大的散射光，该散射光的波长与散射角度有关。如图2所示，已知X射线的入射光子：hν,p；散射光的出射光子：hν',p'；碰撞后电子：E_e,p_e，散射光的光子能量与散射角之间的能量关系表示为：

hν+m_ec²＝hν'+E_e

p＝p′+p_e

由于λ＝c/ν，得到康普顿散射公式：

${\mathrm{\λ}}^{\′}=\mathrm{\λ}+\frac{h}{m_{e}c}(1-\cos \mathrm{\θ})$

$E^{\′}=\frac{\mathrm{hc}}{{\mathrm{\λ}}^{\′}}=\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λ}+\frac{h}{m_{e}c}(1-\cos \mathrm{\θ})}$

其中，h为普朗克常数，ν为入射光子速度，m_e为光子质量，c为光速，ν'为出射光子速度，E_e为自由电子能量，λ为X射线波长，λ'为散射光波长，θ为康普顿散射角。

现有技术中，该散射角θ的一般的取值范围为[0°,180°],即探测器的位置是任意角度设置的。设入射的X射线的能量为E₀,波长为λ₀，可以得到康普顿散射的散射光能量E_conpton和散射光波长λ_conpton范围分别是：

$E_{\mathrm{conpton}}\∈[\frac{E_0}{3},E_0]$

λ_conpton∈[λ₀,3λ₀]

纳米金粒子的荧光特性是指金原子的最内层电子受到X射线照射后吸收能量跳跃到高能级，但是处于高能级的电子是不稳定的，电子自发向低能级跃迁，跃迁的过程中会释放出能量，能量以光子的形式释放出去，即是荧光射线，图3表示纳米金粒子出射荧光的原理图。

图3(a)表示纳米金的基态原子模型，该状态是未受激状态下的原子状态，电子稳定处于各能级上；(b)表示纳米金的基态原子的外层电子受到外界光子的撞击，吸收光子能量并向高能级跃迁，处于高能级的电子不稳定，此时的原子处于激发态；(c)表示激发态原子中的不稳定电子向内层跃迁，跳跃到低能级并释放能量，即荧光，用公式表示电子在最低能级与n能级之间跃迁发出的荧光射线能量△E_n，

△E_n＝E_n-E₁   (1)

设原子最内层电子能量为-E(E>0)，若用能量为E₀,波长为λ₀的X射线照射纳米金粒子，原子最内层电子吸收光子能量跳跃到K层能级，那么X射线能量与K层能级满足以下关系：

△E_K<E₀<△E_K+1

$E-\frac{E}{K^2}<E_0<E-\frac{E}{{(K+1)}^2}---\left(2\right)$

发射出的荧光射线能量为E_fluor＝△E_K，则E_fluro和E₀满足关系

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;E}}_K<E_0\frac{{(K+1)}^2}{{(K+1)}^2-1}\frac{K^2-1}{K^2}\\ \&DoubleRightArrow;E_{\mathrm{fluro}}<E_0\frac{{(k+1)}^3(k-1)}{K^3(K+2)}\end{array}---\left(3\right)$

其中，△E_K为原子最内层电子跳跃到K层能级所的能量。

由K≥2，可得到荧光射线能量E_fluro和波长λ_fluro范围分别是：

$E_{\mathrm{fluro}}\&Element;(\frac{27}{32}{E}_0,E_0)$

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{fluro}}\&Element;({\mathrm{\&lambda;}}_0,\frac{32}{27}{\mathrm{\&lambda;}}_0)$

对比电子跃迁散射荧光光子能量波长λ_fluro与康普顿散射射线光子能量波长λ_conpton的关系，可以发现荧光射线与康普顿射线的波长范围存在交集，从而使得一部分康普顿射线是无法通过光谱分析从荧光射线中区分出来的。但是由康普顿散射公式可知，由于康普顿射线波长与散射角θ有关，并且θ角在实验设备中是可以控制的，因此本发明通过调节散射角θ的大小来控制康普顿散射射线的波长，从而使得康普顿散射射线的波长与X荧光波长区别足够的大，从而可以实现将大部分康普顿散射射线从X荧光射线中分离出来。对比荧光波长与康普顿波长的范围，当康普顿波长λ_fluro大于荧光波长λ_conpton的最大值时，荧光波长与康普顿波长没有交集可以区分开来，即

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{conpton}}>\frac{32}{27}{\mathrm{\&lambda;}}_0$

由上式可见，当康普顿散射角大于36度时，康普顿散射射线与荧光射线的波长没有交集，可以通过光谱分析区分出来，且康普顿散射角角度越大越易区分出来，信噪比越高。

如图4所示，在样品台上方的位置安装探测器，在满足康普顿散射角大于36度的条件时，为了减小荧光的在探测过程中的泄露，通常探测器的安装尽可能的接近样品，来提高荧光探测的强度。如图5所示，探测器安装在固定的支架上，在探测器接受面直径一定的条件下，尽可能低的X荧光探测高度上，不同的安装位置对应不同的荧光探测扇形面的角度α。荧光扇面角度和探测荧光强度直接相关，即与系统灵敏度相关。

图5表示荧光面的角度与各参数的关系，H表示样品台与探测器的垂直距离，D表示探测器的接收面直径，X为探测器与样品台中央位置水平垂线之间的偏移。由此得到荧光探测角度α与X的关系为：

$\mathrm{\&alpha;}\left(X\right)=\arctan \left(\frac{X+D}{H}\right)-\arctan \left(\frac{X}{H}\right)---\left(4\right)$

对一固定的安装高度H，探测器的接收面积大小也固定，为了得到最大的α(X)，对式(4)两边求导，可得：

${\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}\left(X\right)=\frac{H^2}{{(X+D)}^2+H^2}-\frac{H^2}{X^2+H^2}$

由α'(X)＝0可以求出,X＝-D/2,即康普顿散射角为90度时，在探测器高度一定的条件下能获得最大的荧光探测角度，此角度也满足θ>36°的约束。因此，康普顿散射角为90度时不仅可以降低康普顿散射影响，还有利于提高形态灵敏度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于癌细胞检测的X荧光探测系统，其特征在于：包括X光光源(1)、准直透镜(2)、样品台(5)、探测器(3)；所述X光光源(1)、准直透镜(2)、样品台(5)设置在同一直线上；所述探测器(3)设置在样品台(5)的一侧，探测器(3)的接受面中心到样品台(5)的中心所在直线与X射线入射方向的直线夹角为康普顿散射角θ，所述康普顿散射角θ大于36°。

2.根据权利要求1所述的一种用于癌细胞检测的X荧光探测系统，其特征在于：所述康普顿散射角θ设置为90°。