CN111281313A - 基于拉曼光谱的病灶在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，包括激光器、内窥镜、分光模块、透镜组、内窥镜成像模块和拉曼光谱仪。激光器出射的激光光束被耦合至内窥镜，并在内窥镜物面处汇聚成点像以激发待测细胞组织出射拉曼信号；拉曼信号从内窥镜出瞳出射至分光模块，然后分光模块将拉曼信号分为第一子光束和第二子光束，第一子光束的光波长大于第二子光束的光波长；第一子光束经透镜组被投射至拉曼光谱仪，第二子光束经透镜组被投射至内窥镜成像模块，内窥镜成像模块与内窥镜为平行光耦合，从而可通过利用拉曼光谱仪在线分析待测细胞组织的拉曼信号来得到该待测细胞组织是否发生病变，进一步检测病灶所在，提高生物体病灶的检测精准度和检测效率。

Description

基于拉曼光谱的病灶在线检测系统

技术领域

本申请涉及拉曼光谱分析技术领域，特别是涉及一种基于拉曼光谱的病灶在线检测系统。

背景技术

由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故拉曼光谱可以在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化，例如可利用拉曼光谱研究蛋白质二级结构、DNA和致癌物分子间的作用、视紫红质在光循环中的结构变化、动脉硬化操作中的钙化沉积和红细胞膜等。

传统的癌症诊断通常是医生根据自身经验结合医疗影像来判断人体组织的癌变情况，需要将手术切片送到实验室检测，诊断时间长，对医生经验依赖性大，且没有足够科学依据来判断癌症情况。

鉴于拉曼光谱是检测生物特性的有力武器，如何基于拉曼光谱进行生物组织的变化检测，例如胃癌及淋巴结转移情况等，在线就能检测出来人眼不能识别的病灶，进而确诊并进行现场切除，来提高医疗手术判断精准度和诊断效率。

发明内容

本申请提供了一种基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，基于拉曼光谱可在线对生物组织进行变化检测，提高生物体病灶的检测精准度和检测效率。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例提供了一种基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，包括激光器、内窥镜、分光模块、透镜组、内窥镜成像模块和拉曼光谱仪；

其中，所述激光器出射的激光光束被耦合至所述内窥镜，并在所述内窥镜物面处汇聚成点像以激发待测细胞组织出射拉曼信号；所述拉曼信号从所述内窥镜出瞳出射至所述分光模块，所述分光模块用于将所述拉曼信号分为第一子光束和第二子光束，所述第一子光束的光波长大于所述第二子光束的光波长；所述第一子光束经所述透镜组被投射至所述拉曼光谱仪，所述第二子光束经所述透镜组被投射至所述内窥镜成像模块，所述内窥镜成像模块与所述内窥镜为平行光耦合。

可选的，所述待测细胞组织的直径不小于1mm。

可选的，所述分光模块为按波长分光的立方棱镜。

可选的，所述立方棱镜在出射所述第一子光束的一侧设置有第一窄带滤光膜，在出射所述第二子光束的一侧设置有第二窄带滤光膜；所述第一窄带滤光膜用于使波长为810nm～1050nm的光束通过，所述第二窄带滤光膜用于通过可见光。

可选的，所述分光模块包括二向色片和长波通滤光片，所述长波通滤光片位于所述二向色片出射所述第一子光束的光路上。

可选的，所述透镜组包括第一聚光镜、第二聚光镜和准直镜；所述分光模块包括第一分光器和第二分光器；

所述第一分光器用于将所述内窥镜出瞳出射的激光光束分为第一子光束和第二子光束；

所述第二分光器用于将所述激光器出射的激光光束经所述准直镜导入至所述内窥镜的出瞳；还用于将所述第一分光器出射的所述第一子光束经所述第一聚光镜后导入所述拉曼光谱仪；

所述第二聚光镜用于将所述第一分光器出射的所述第二子光束聚光至所述内窥镜成像模块。

可选的，所述第一子光束经过所述第一聚光镜耦合至第一光纤并输入至所述拉曼光谱仪；所述激光器出射的激光光束耦合至第二光纤，并经所述第二光纤出射至所述准直镜；所述第一光纤和所述第二光纤的直径为25μm。

可选的，所述第二分光器在出射所述第一子光束的一侧设置有第一窄带滤光膜，所述第一窄带滤光膜用于使波长为810nm～1050nm的光束通过。

可选的，所述内窥镜出瞳的直径为3mm，所述拉曼光谱仪采用600+1200线对光栅，8.6或17.5度名义值入射角。

可选的，所述内窥镜成像模块为高光谱相机。

本申请提供的技术方案的优点在于，在现有内窥镜结构的基础上，通过在内窥镜和内窥镜成像模块的成像光路中增加激光器、分光模块、透镜组和拉曼光谱仪，不仅保证内窥镜和内窥镜成像模块任然保持平行光耦合，还使得激光器出射激光光束经内窥镜汇聚激发待测细胞组织出射拉曼信号，然后将该拉曼信号再经分光模块和透镜组分别被拉曼光谱仪和内窥镜成像模块接收，从而可通过利用拉曼光谱仪分析待测细胞组织的拉曼信号来得到该待测细胞组织是否发生病变，实现了基于拉曼光谱在线对生物组织的变化检测，进一步检测生物体病灶所在，在线就能检测出来人眼不能识别的病灶，提高生物体病灶的检测精准度和检测效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统在第一种实施方式下的框架结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统在第二种实施方式下的框架结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统在第三种实施方式下的框架结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统在第四种实施方式下的框架结构示意图；

图5为本发明实施例提供的拉曼光谱仪在一种实施方式下的框架结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

本申请的发明人经过调研发现，应用光纤拉曼光谱传感器系统对食管癌的临床内镜检查进行快速诊断。该系统包括785nm激励激光器、7根大芯光纤拉曼光纤探头和聚焦透镜，以及高灵敏度频谱仪。利用该系统可以在1秒内获得组织的拉曼光谱。采用信号基线去除和去噪技术，提高了信号的质量。

相关研究采用去角质细胞的FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrometer，傅里叶变换红外光谱仪)和拉曼光谱仪的综合分析，以提高对正常、癌前和癌变状态的识别能力。分别从13例正常、13例癌前和10例癌症患者两种模式下获得多光谱信息，然后通过检测两种光谱，可以更清晰地阐明恶性肿瘤中DNA、蛋白和脂质含量的增加。主成分分析(PCA)-线性鉴别分析(LDA)对FTIR和拉曼光谱数据集进行10倍交叉验证，显示正常和病理状态之间存在有效的鉴别，两种病理之间存在重叠。双光谱的PCA-LDA模型与FTIR相比，分类准确率为98％，FTIR(85％)or拉曼光谱仪(82％)。

相关研究实验过程中检测了75名健康志愿者、65名结肠癌患者和60名术后结肠癌患者的血清。在这三组的拉曼光谱中，核酸、氨基酸和色粒的拉曼峰分别为750、1083、1165、1321、1629和1779cm-1。6个拉曼峰组间均有统计学差异。定量分析采用主成分分析(PCA)和k近邻分析(KNN)的多元统计技术开发分类诊断算法。PC负荷谱中的一些峰也被报道为结肠组织的特征峰，这意味着PC负荷谱中的峰与原始拉曼光谱中的峰之间存在相关性。对获得的PCs进行KNN，诊断准确率为91.0％，特异性为92.6％。

由上可知，拉曼光谱中包含大量涉及样本分子边界的峰，找到与癌变相关的最佳特征可以提高该方法的诊断准确性。本申请使用785纳米微拉曼系统从正常、良性和癌变的乳腺组织样本中测量了49个波谱。经过预处理去除噪声和背景荧光后，提取12个重要的生物样品拉曼光谱的强度作为每个光谱的特征。然后应用蚁群算法寻找诊断的最优拉曼特征来提高拉曼的癌症诊断能力。结果表明，通过选取5个特征，正常组、良性组和癌变组的分类准确率提高了14％，达到87.7％。

需要注意的是，上述应用场景仅是为了便于理解本申请的思想和原理而示出，本申请的实施方式在此方面不受任何限制。相反，本申请的实施方式可以应用于适用的任何场景。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于拉曼光谱的病灶在线检测系统方法的流程示意图，本发明实施例可包括以下内容：

基于拉曼光谱的病灶在线检测系统可包括内窥镜1、分光模块2、透镜组3、激光器4、拉曼光谱仪5和内窥镜成像模块6。

内窥镜1可为现有的任何一种型号规格的内窥镜，本申请对此不作任何限制，可选的，为了更好的进行成像和拉曼信号分析，可采用出瞳直径为3mm的内窥镜。内窥镜成像模块6作为内窥镜1的成像模块，可为任何一种具有成像功能的硬件，如CCD，为了展示更加清晰、更高质量的图像，内窥镜成像模块6还可为高光谱相机。内窥镜成像模块6与内窥镜1平行光耦合。现代手术微创已经占据绝大部分市场，由于硬管CCD型的内窥镜是与CCD是平行光耦合，所以把拉曼光谱仪集成到内窥镜的难度，研究如何耦合进现有的内窥镜是非常有难度的远高于用拉曼光谱仪观测传统剖开窗口的手术。本申请在现有手术内窥镜基础上，开发内窥镜1用的拉曼光谱仪及成像光路，而不是另起锅灶重新设计新的内窥镜，这是为了普遍适应现有医院的医疗器械。这个耦合难度极大。因为后面CCD与前端导光管是平行光耦合，出入瞳匹配完善，若重新加入光路，则破坏了已经平衡的像差。基于此，本申请在二者光路之间加了分光模块2，如图2所示，使得内窥镜1出瞳10出射的光线可以直线式传输入射至内窥镜成像模块6中。

在本申请中，激光器4可为任何一种型号或者规格的激光光束发射器，激光器4出射的激光光束经透镜组3和分光模块2可耦合至内窥镜1中，并在内窥镜1的物面处汇聚成点像，内窥镜1的物面处为高密度能量区域可激发待测细胞组织0出射拉曼信号。拉曼信号从内窥镜1的出瞳10出射至分光模块2。分光模块2可将拉曼信号分为第一子光束和第二子光束，第一子光束的光波长大于第二子光束的光波长；第一子光束经透镜组被投射至拉曼光谱仪5，第二子光束经透镜组被投射至内窥镜成像模块6，也即拉曼波长的长波信号被拉曼光谱仪5接收用于分析待测细胞组织是否存在病灶，拉曼波长的短波信号被内窥镜成像模块6吸收进行可将光成像。分光模块2可为任何一种按波长进行分波处理的光学器件，例如可为按波长分光的立方棱镜，还可为二向色片和长波通滤光片组合体，长波通滤光片位于二向色片出射第一子光束的光路上。

其中，待测细胞组织0的位置可如图3所示，为了更好的对待测细胞组织进行信号采集，内窥镜1还可设置在调节杆12上，通过该调节杆12可将内窥镜1对准想要测量的目标位置。

透镜组3中包括多个聚光镜、准直镜等按照光路需求进行设置的光学透镜，所属技术领域人员可根据实际光路搭建，这均不影响本申请的实现，可选的，透镜组3可包括第一聚光镜、第二聚光镜和准直镜；相应的，分光模块2可包括第一分光器21和第二分光器22。第一分光器21用于将内窥镜1出瞳10出射的激光光束分为第一子光束和第二子光束；第二分光器22用于将激光器4出射的激光光束经准直镜导入至内窥镜1的出瞳10；还用于将第一分光器21出射的第一子光束经第一聚光镜后导入拉曼光谱仪5；第二聚光镜用于将第一分光器出射的第二子光束聚光至内窥镜成像模块6。

此外，需要说明的是，本申请要保护的是将现有内窥镜和拉曼光谱仪耦合，使得内窥镜出射的拉曼信号进入拉曼光谱仪进行分析的系统结构，至于拉曼光谱仪5如何分析拉曼信号，可参阅任何一种现有拉曼光谱仪的工作原理，和任何一种分析信号的算法，本申请对此不作任何限定。

在本发明实施例提供的技术方案中，在现有内窥镜结构的基础上，通过在内窥镜和内窥镜成像模块的成像光路中增加激光器、分光模块、透镜组和拉曼光谱仪，不仅保证内窥镜和内窥镜成像模块任然保持平行光耦合，还使得激光器出射激光光束经内窥镜汇聚激发待测细胞组织出射拉曼信号，然后将该拉曼信号再经分光模块和透镜组分别被拉曼光谱仪和内窥镜成像模块接收，从而可通过利用拉曼光谱仪分析待测细胞组织的拉曼信号来得到该待测细胞组织是否发生病变，实现了基于拉曼光谱在线对生物组织的变化检测，进一步检测生物体病灶所在，在线就能检测出来人眼不能识别的病灶，提高生物体病灶的检测精准度和检测效率。

作为一种可选的实施方式，考虑到为解决拉曼光谱仪低能量问题，可扩大被检测区域，从而降低单位面积上的照明激光功率，这样既能保证细胞的活性，又能把激发的光谱总输出功率提升，然后让这些能量全部落在探测器单个像素上。既能采集到活体细胞光谱，又能适应手术现场非暗室环境。可选的，本申请的待测细胞组织的直径不小于1mm。

可选的，由于长波长拉曼信号更适合拉曼光谱仪4的光谱分析，且内窥镜成像模块6为可见光成像模块，故为了拉曼信号更好的被拉曼光谱仪4和内窥镜成像模块6检测吸收，若分光模块2为按波长分光的立方棱镜，则立方棱镜可在出射第一子光束的一侧设置有第一窄带滤光膜，在出射第二子光束的一侧设置有第二窄带滤光膜；第一窄带滤光膜用于使波长为810nm～1050nm的光束通过，第二窄带滤光膜用于通过可见光。第二分光器22在出射第一子光束的一侧设置有第一窄带滤光膜，第一窄带滤光膜用于使波长为810nm～1050nm的光束通过。

作为另外一种可选的实施方式，为了提高信号传输质量，可采用光纤作为传输介质，例如图4所示，光纤可通过sma光纤座设置在光路中，第一子光束经过第一聚光镜耦合至第一光纤并输入至拉曼光谱仪；激光器出射的激光光束耦合至第二光纤，并经第二光纤出射至准直镜。可选的，第一光纤和第二光纤的直径可均为25μm，准直与成像光路焦距相等，在CCD上理论设计正好充满26um像素。对于一般国外主流拉曼光谱仪，弥散圆直径40um，采用本申请基于拉曼光谱的病灶在线检测系统的分辨率提高一倍，经过干涉仪的平行光成像后，弥散圆在6um左右，可做到像素级的光谱分辨率。

可选的，本申请的拉曼光谱仪5的系统结构可如图5所示，该拉曼光谱仪采用600+1200线对光栅，8.6或17.5度名义值入射角。图5中51为激光输入端；52可拉曼光谱仪的一组透镜组，例如可包括多个准直镜；53为光栅；54、55为光谱成像镜组；56位制冷型CCD。当然，也可采用其他结构的拉曼光谱仪，本申请对此不作任何限定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上对本申请所提供的一种基于拉曼光谱的病灶在线检测系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，其特征在于，包括激光器、内窥镜、分光模块、透镜组、内窥镜成像模块和拉曼光谱仪；

其中，所述激光器出射的激光光束被耦合至所述内窥镜，并在所述内窥镜物面处汇聚成点像以激发待测细胞组织出射拉曼信号；所述拉曼信号从所述内窥镜出瞳出射至所述分光模块，所述分光模块用于将所述拉曼信号分为第一子光束和第二子光束，所述第一子光束的光波长大于所述第二子光束的光波长；所述第一子光束经所述透镜组被投射至所述拉曼光谱仪，所述第二子光束经所述透镜组被投射至所述内窥镜成像模块，所述内窥镜成像模块与所述内窥镜为平行光耦合。

2.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，其特征在于，所述待测细胞组织的直径不小于1mm。

3.根据权利要求2所述的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，其特征在于，所述分光模块为按波长分光的立方棱镜。

4.根据权利要求3所述的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，其特征在于，所述立方棱镜在出射所述第一子光束的一侧设置有第一窄带滤光膜，在出射所述第二子光束的一侧设置有第二窄带滤光膜；所述第一窄带滤光膜用于使波长为810nm～1050nm的光束通过，所述第二窄带滤光膜用于通过可见光。

5.根据权利要求2所述的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，其特征在于，所述分光模块包括二向色片和长波通滤光片，所述长波通滤光片位于所述二向色片出射所述第一子光束的光路上。

6.根据权利要求5所述的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，其特征在于，所述透镜组包括第一聚光镜、第二聚光镜和准直镜；所述分光模块包括第一分光器和第二分光器；

所述第一分光器用于将所述内窥镜出瞳出射的激光光束分为第一子光束和第二子光束；

所述第二分光器用于将所述激光器出射的激光光束经所述准直镜导入至所述内窥镜的出瞳；还用于将所述第一分光器出射的所述第一子光束经所述第一聚光镜后导入所述拉曼光谱仪；

所述第二聚光镜用于将所述第一分光器出射的所述第二子光束聚光至所述内窥镜成像模块。

7.根据权利要求6所述的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，其特征在于，所述第一子光束经过所述第一聚光镜耦合至第一光纤并输入至所述拉曼光谱仪；所述激光器出射的激光光束耦合至第二光纤，并经所述第二光纤出射至所述准直镜；所述第一光纤和所述第二光纤的直径为25μm。

8.根据权利要求6所述的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，其特征在于，所述第二分光器在出射所述第一子光束的一侧设置有第一窄带滤光膜，所述第一窄带滤光膜用于使波长为810nm～1050nm的光束通过。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，其特征在于，所述内窥镜出瞳的直径为3mm，所述拉曼光谱仪采用600+1200线对光栅，8.6或17.5度名义值入射角。

10.根据权利要求9所述的基于拉曼光谱的病灶在线检测系统，其特征在于，所述内窥镜成像模块为高光谱相机。

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