CN111007111A - 宫颈癌快速筛查系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宫颈癌快速筛查系统和方法，该系统包括手持设备和与手持设备之间通信连接的主机。手持设备上设置有一对用于作为激励电极以产生电流信号的第一电极对、一对用于作为测量电极以检测阻抗的第二电极对、光源以及探测器；主机包括控制模块和数据处理模块，控制模块用于对手持设备进行控制，数据处理模块用于根据手持设备的检测数据处理得到检测结果。该方法通过检测正常宫颈组织和癌变宫颈组织在电学和光学特性上的差别，来区分正常宫颈组织与癌变宫颈组织。本发明通过对宫颈组织进行电学检测，并结合光学检测作为补偿，能根据正常宫颈组织与异常宫颈组织在电学和光学特性上的差别，实现了宫颈癌快速的筛查，能提高诊断结果的准确度。

Description

宫颈癌快速筛查系统和方法
技术领域
本发明涉及宫颈癌筛查领域，特别涉及一种宫颈癌快速筛查系统和方法。
背景技术
宫颈癌是全球女性最常见的恶性肿瘤之一，其发病率仅次与乳腺癌。据世界卫生组织统计，全球每年约有50万名妇女被确诊为宫颈癌，约有28.8万患者死亡，严重危害女性生命健康。
近年来，随着宫颈癌检测技术的发展及推广，全球宫颈癌的发病率普遍下降，然而，在一些贫困地区或边远地区，由于医疗条件差，缺少专业培训的医生，尤其是专业阴道镜和细胞病理学医生，因宫颈癌无法及时发现，导致宫颈癌的患病率和致死率居高不下。目前的宫颈癌筛查设备存在检测准确性低、使用不方便等缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种宫颈癌快速筛查系统和方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种宫颈癌快速筛查方法，该方法通过检测正常宫颈组织和癌变宫颈组织在电学和光学特性上的差别，来区分正常宫颈组织与癌变宫颈组织，其包括以下步骤：
1)进行电学检测：
1-1)采用由参数Ri、Re和Cm组成的生物阻抗模型作为生物宫颈组织的单细胞的等效电路模型，利用Cole-Cole阻抗方程来描述生物宫颈组织的阻抗，Cole-Cole阻抗方程为：
Figure BDA0002294278220000011
式中，R0＝Re,R∞＝Ri*Re/(Ri+Re),fc＝1/[2π(Ri+Re)Cm] (2)；
其中，Ri表示细胞内液电阻，Re表示细胞外液电阻，Cm表示膜电容，R0和R∞分别代表频率在0处和无穷处的电阻抗值，f代表频率，fc为负阻抗的虚部为最大值时的频率，即特征频率，α为松弛因子，在0～1之间取值；
1-2)通过检测宫颈组织的阻抗值获取其参数Ri、Re和Cm的值，方法为：检测宫颈组织的阻抗值，代入式(1)，计算得到R0、R∞和fc的值，再代入式(2)，计算得出Ri、Re和Cm的值；
1-3)通过步骤1-2)的方法预先采集一定数量的正常宫颈组织的Ri、Re和Cm的值，计算得到正常宫颈组织的上述参数的平均值，记为Ri0、Re0和Cm0；
1-4)通过步骤1-2)的方法检测待测量宫颈组织的阻抗值，获取待测量宫颈组织的Ri、Re和Cm参数值，分别记为Rix、Rex和Cmx；
1-5)将Rix、Rex和Cmx与Ri0、Re0和Cm0进行比较，若同时满足：
Rix＞aRi0、Rex＜bRe0、Cmx＜cCm0，则判定待测量宫颈组织的电学特性符合癌变特征，其中，a、b、c均为取值不小于1的修正系数；
2)进行光学检测：检测正常标准体宫颈组织对光的散射系数kb，然后检测待测量宫颈组织对相同光的散射系数kx，若kx＞dkb，则判断待测量宫颈组织的光学特性符合癌变特征,其中，d为取不小于1的修正系数；
3)若待测量宫颈组织的电学特性和光学特性均符合癌变特征，则判定待测量宫颈组织为癌变组织。
优选的是，所述步骤1-2)具体包括：采用两个电极作为激励电极，产生频率范围为4.8～614KHz、峰值为20uA的电流信号，进行至少M个频率点的测量，每个测量频率点均为前一次测量频率点的两倍；采用两个电极作为测量电极，在每个频率点出至少采样N次，取均值作为该频率点处的最终值，将得到的M个最终值代入代入式(1)，计算得到R0、R∞和fc的值，再代入式(2)，计算得出Ri、Re和Cm的值。
优选的是，所述步骤1-2)中，M≥8，N≥100。
优选的是，所述步骤1-5)中，a为1-5，b≥10，c≥10。
优选的是，所述步骤2)中采用的光的波段范围为500-940nm。
优选的是，所述步骤2)中采用525nm、660nm和940nm的三种不同波长的光分别测量散射系数，若在三种波长的光下，均满足kx＞dkb，则判断待测量宫颈组织的光学特性符合癌变特征。
本发明还提供一种宫颈癌快速筛查系统，其采用如上所述的宫颈癌快速筛查方法进行宫颈癌检测，该系统包括手持设备和与所述手持设备之间通信连接的主机；
所述手持设备上设置有一对用于作为激励电极以产生电流信号的第一电极对、一对用于作为测量电极以检测阻抗的第二电极对、光源以及探测器；
所述主机包括控制模块和数据处理模块，所述控制模块用于对所述手持设备进行控制，所述数据处理模块用于根据所述手持设备的检测数据处理得到检测结果。
优选的是，所述第一电极对和第二电极对用于对宫颈组织进行电学检测，所述数据处理模块接收所述第一电极对和第二电极对的测量结果以形成电学检测结果；
所述光源和探测器用于对宫颈组织进行光学检测，所述光源发出的光照射宫颈组织，所述探测器用于接收宫颈组织散射的光，然后通过所述数据处理模块计算得到散射系数，形成光学检测结果；
所述数据处理模块还根据电学检测和光学检测结果形成最终的宫颈癌检测结果。
优选的是，所述手持设备上还套设有一次性护罩。
优选的是，所述手持设备和主机通过蓝牙进行通信。
本发明的有益效果是：本发明通过对宫颈组织进行电学检测，并结合光学检测作为补偿，能根据正常宫颈组织与异常宫颈组织在电学和光学特性上的差别，实现了宫颈癌快速的筛查，能提高诊断结果的准确度；可及时自动输出检测结果，无须人工判别，可降低人员成本，操作使用方便；能缩短检测周期，特别适用于贫困地区或边远地区的宫颈癌筛查，可及早发现早期宫颈癌病变，有效提高患者的存活率。
附图说明
图1为本发明的宫颈癌快速筛查系统的结构示意图；
图2为生物组织单细胞的等效电路模型示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
宫颈组织癌病变会导致细胞结构和血管分布等发生改变，会造成其与正常组织在电学和光学特性上的差别，通过检测这些差别，可区分正常和异常组织。关于电学特性，生物组织中单个细胞的等效电路模型可简化如图2所示，其中Ri、Re和Cm分别代表等效细胞内、外液电阻和膜电容。
Cole理论认为生物组织的阻抗可由下式表达：
Figure BDA0002294278220000041
式中，R0＝Re,R∞＝Ri*Re/(Ri+Re),fc＝1/[2π(Ri+Re)Cm] (2)；
其中，R0和R∞分别代表频率在0处和无穷处的电阻抗值，f代表频率，fc为负阻抗的虚部为最大值时的频率，即特征频率，α为松弛因子，在0～1之间取值，通常情况下，取值为1。
通过生物组织的阻抗可计算出Ri、Re和Cm的值，从而实现生物组织电学特性的检测。
实施例1
本发明通过上述原理提供了一种宫颈癌快速筛查方法，该方法包括以下步骤：
1)进行电学检测：
1-1)在低频范围内(低于1MHz)，由于细胞膜的漏电阻较大，生物组织中单个细胞的等效电路模型可简化如图2所示，其中Ri、Re和Cm分别代表等效细胞内、外液电阻和膜电容。所以，采用由参数Ri、Re和Cm组成的生物阻抗模型作为生物宫颈组织的单细胞的等效电路模型，利用Cole-Cole阻抗方程来描述生物宫颈组织的阻抗，Cole-Cole阻抗方程为：
Figure BDA0002294278220000042
式中，R0＝Re,R∞＝Ri*Re/(Ri+Re),fc＝1/[2π(Ri+Re)Cm] (2)；
其中，R0和R∞分别代表频率在0处和无穷处的电阻抗值，f代表频率，fc为负阻抗的虚部为最大值时的频率，即特征频率，α为松弛因子，在0～1之间取值，通常情况下，取值为1；
1-2)通过检测宫颈组织的阻抗值获取其参数Ri、Re和Cm的值，方法为：检测宫颈组织的阻抗值，代入式(1)，计算得到R0、R∞和fc的值，再代入式(2)，计算得出Ri、Re和Cm的值；
具体的，本实施例中，采用两个电极作为激励电极，产生频率范围为4.8～614KHz、峰值为20uA的电流信号，进行至少M个频率点的测量，每个测量频率点均为前一次测量频率点的两倍；采用两个电极作为测量电极，在每个频率点出至少采样N次，取均值作为该频率点处的最终值，将得到的M个最终值代入代入式(1)，计算得到R0、R∞和fc的值，再代入式(2)，计算得出Ri、Re和Cm的值。在优选的实施例中，M≥8，N≥100。
1-3)通过步骤1-2)的方法预先采集一定数量的正常宫颈组织的Ri、Re和Cm的值，计算得到正常宫颈组织的上述参数的平均值，记为Ri0、Re0和Cm0；
1-4)通过步骤1-2)的方法检测待测量宫颈组织的阻抗值，获取待测量宫颈组织的Ri、Re和Cm参数值，分别记为Rix、Rex和Cmx；
1-5)对于正常组织而言，Re和Cm的值远大于异常组织的值，而Ri则较小，通过对这三个值的分析，可推断出是否患有宫颈癌和癌前病变。本实施例中，将Rix、Rex和Cmx与Ri0、Re0和Cm0进行比较，若同时满足：
Rix＞aRi0、Rex＜bRe0、Cmx＜cCm0，则判定待测量宫颈组织的电学特性符合癌变特征，其中，a、b、c均为取值不小于1的修正系数；在优选的实施例中，a为1-5，b≥10，c≥10。
2)进行光学检测：检测正常标准体宫颈组织对光的散射系数kb，然后检测待测量宫颈组织对相同光的散射系数kx，若kx＞dkb，则判断待测量宫颈组织的光学特性符合癌变特征,其中，d为取不小于1的修正系数。其中，为了去除背景和噪声的污染，采用了相对测量的方式，即每次测量前先对标准体进行测量，然后对待测量宫颈组织进行测量，之后取宫颈组织与标准体的比较结果作为光学组织检测的判别依据。
对于不同的宫颈组织，光学参数的判断是必要的，因为某些组织之间的电学特性可能会重叠，不同波长的光谱学信息可有效的作为电信号的补充，能提高宫颈癌筛查的精确度。使用不同波长的光源照射宫颈组织，通过组织体内一系列的弹性散射和吸收过程，最后的漫反射光由探测器接收，回传给数据处理模块进行分析，癌变组织对光的吸收和散射特性与正常组织细胞相比会发生不同的变化，其吸收和散射系数的不同就可以用来区分正常和有癌变的宫颈上皮细胞，实现筛查的功能。
优选的，采用的光的波段范围为500-940nm。500-940nm波段范围的光在组织内的散射系数，随着癌变程度的变化逐渐增加；通过检测500-940nm波段范围的光在组织内的散射系数，能够区分正常和癌变前的宫颈上皮细胞。
更为优选的，步骤2)中采用525nm、660nm和940nm的三种不同波长的光分别测量散射系数，若在三种波长的光下，均满足kx＞dkb，则判断待测量宫颈组织的光学特性符合癌变特征。采用3种不同波长的光(红光、绿光、近红外)保证对宫颈由表层到基底层的全覆盖。红光波段采用的光波长为660nm，其主要作用是探测细胞中线粒体的活性，进而得到机体新陈代谢的速度，实现组织良恶性判断；绿光波段采用光波长为525nm，该波段是血红蛋白的典型吸收光谱，对于有新生血管生成的癌变组织，可以增加其探测的对比度；近红外波段采用的光波长为940nm,可以实现深层组织的探测，获取血液氧合状态的信息。
3)若待测量宫颈组织的电学特性和光学特性均符合癌变特征，则判定待测量宫颈组织为癌变组织。可以理解的是，若待测量宫颈组织的电学特性和光学特性只有其中之一符合癌变特征，则也应对其进行再次测量，或是进行其他的详细医学检查。
实施例2
在实施例1的方法基础上，本实施例中提供一种宫颈癌快速筛查系统，其采用实施例1的宫颈癌快速筛查方法进行宫颈癌检测，该系统包括手持设备和与手持设备之间通信连接的主机；
手持设备上设置有一对用于作为激励电极以产生电流信号的第一电极对、一对用于作为测量电极以检测阻抗的第二电极对、光源以及探测器；
主机包括控制模块和数据处理模块，控制模块用于对手持设备进行控制，数据处理模块用于根据手持设备的检测数据处理得到检测结果。
第一电极对和第二电极对用于对宫颈组织进行电学检测，数据处理模块接收第一电极对和第二电极对的测量结果以形成电学检测结果；
光源和探测器用于对宫颈组织进行光学检测，光源发出的光照射宫颈组织，探测器用于接收宫颈组织散射的光，然后通过数据处理模块计算得到散射系数，形成光学检测结果；
数据处理模块还根据电学检测和光学检测结果形成最终的宫颈癌检测结果。
进一步的，手持设备上还套设有一次性护罩。
进一步的，手持设备和主机通过蓝牙进行通信。
进一步的，主机还包括显示屏和打印机，用于输出检测结果。
使用时，将一次性护罩套在手持设备上后，将手持设备伸入宫颈组织先进行电学检测，第一电极对产生电流信号，第二电极对测量电阻，数据处理模块进行数据处理，得到电学检测结果；完成电学检测后，控制模块控制光源和探测器工作，选择不同波长的光照射宫颈组织，通过探测器分别接收漫反射光，通过数据处理模块处理得到散射系数，形成光学检测结果；最后数据处理模块根据电学检测和光学检测结果形成最终的宫颈癌检测结果，并可通过显示屏或打印机输出结果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种宫颈癌快速筛查方法，其特征在于，该方法通过检测正常宫颈组织和癌变宫颈组织在电学和光学特性上的差别，来区分正常宫颈组织与癌变宫颈组织，其包括以下步骤：
1)进行电学检测：
1-1)采用由参数Ri、Re和Cm组成的生物阻抗模型作为生物宫颈组织的单细胞的等效电路模型，利用Cole-Cole阻抗方程来描述生物宫颈组织的阻抗，Cole-Cole阻抗方程为：
Figure FDA0002294278210000011
式中，R0＝Re,R∞＝Ri*Re/(Ri+Re),fc＝1/[2π(Ri+Re)Cm] (2)；
其中，Ri表示细胞内液电阻，Re表示细胞外液电阻，Cm表示膜电容，R0和R∞分别代表频率在0处和无穷处的电阻抗值，f代表频率，fc为负阻抗的虚部为最大值时的频率，即特征频率，α为松弛因子，在0～1之间取值；
1-2)通过检测宫颈组织的阻抗值获取其参数Ri、Re和Cm的值，方法为：检测宫颈组织的阻抗值，代入式(1)，计算得到R0、R∞和fc的值，再代入式(2)，计算得出Ri、Re和Cm的值；
1-3)通过步骤1-2)的方法预先采集一定数量的正常宫颈组织的Ri、Re和Cm的值，计算得到正常宫颈组织的上述参数的平均值，记为Ri0、Re0和Cm0；
1-4)通过步骤1-2)的方法检测待测量宫颈组织的阻抗值，获取待测量宫颈组织的Ri、Re和Cm参数值，分别记为Rix、Rex和Cmx；
1-5)将Rix、Rex和Cmx与Ri0、Re0和Cm0进行比较，若同时满足：
Rix＞aRi0、Rex＜bRe0、Cmx＜cCm0，则判定待测量宫颈组织的电学特性符合癌变特征，其中，a、b、c均为取值不小于1的修正系数；
2)进行光学检测：检测正常标准体宫颈组织对光的散射系数kb，然后检测待测量宫颈组织对相同光的散射系数kx，若kx＞dkb，则判断待测量宫颈组织的光学特性符合癌变特征，其中，d为取不小于1的修正系数；
3)若待测量宫颈组织的电学特性和光学特性均符合癌变特征，则判定待测量宫颈组织为癌变组织。
2.根据权利要求1所述的宫颈癌快速筛查方法，其特征在于，所述步骤1-2)具体包括：采用两个电极作为激励电极，产生频率范围为4.8～614KHz、峰值为20uA的电流信号，进行至少M个频率点的测量，每个测量频率点均为前一次测量频率点的两倍；采用两个电极作为测量电极，在每个频率点出至少采样N次，取均值作为该频率点处的最终值，将得到的M个最终值代入代入式(1)，计算得到R0、R∞和fc的值，再代入式(2)，计算得出Ri、Re和Cm的值。
3.根据权利要求1所述的宫颈癌快速筛查方法，其特征在于，所述步骤1-2)中，M≥8，N≥100。
4.根据权利要求1所述的宫颈癌快速筛查方法，其特征在于，所述步骤1-5)中，a为1-5，b≥10，c≥10。
5.根据权利要求1所述的宫颈癌快速筛查方法，其特征在于，所述步骤2)中采用的光的波段范围为500-940nm。
6.根据权利要求1所述的宫颈癌快速筛查方法，其特征在于，所述步骤2)中采用525nm、660nm和940nm的三种不同波长的光分别测量散射系数，若在三种波长的光下，均满足kx＞dkb，则判断待测量宫颈组织的光学特性符合癌变特征。
7.一种宫颈癌快速筛查系统，其特征在于，其采用如权利要求1-6中任意一项所述的宫颈癌快速筛查方法进行宫颈癌检测，该系统包括手持设备和与所述手持设备之间通信连接的主机；
所述手持设备上设置有一对用于作为激励电极以产生电流信号的第一电极对、一对用于作为测量电极以检测阻抗的第二电极对、光源以及探测器；
所述主机包括控制模块和数据处理模块，所述控制模块用于对所述手持设备进行控制，所述数据处理模块用于根据所述手持设备的检测数据处理得到检测结果。
8.根据权利要求7所述的宫颈癌快速筛查系统，其特征在于，所述第一电极对和第二电极对用于对宫颈组织进行电学检测，所述数据处理模块接收所述第一电极对和第二电极对的测量结果以形成电学检测结果；
所述光源和探测器用于对宫颈组织进行光学检测，所述光源发出的光照射宫颈组织，所述探测器用于接收宫颈组织散射的光，然后通过所述数据处理模块计算得到散射系数，形成光学检测结果；
所述数据处理模块还根据电学检测和光学检测结果形成最终的宫颈癌检测结果。
9.根据权利要求7所述的宫颈癌快速筛查系统，其特征在于，所述手持设备上还套设有一次性护罩。
10.根据权利要求7所述的宫颈癌快速筛查系统，其特征在于，所述手持设备和主机通过蓝牙进行通信。
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