CN111685728A - 肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统及方法，系统包括超快光学连续成像装置、超快光学突发成像装置、微纳流通道和计算机，超快光学连续成像装置、超快光学突发成像装置分别连接计算机，微纳流通道位于超快光学连续成像装置和超快光学突发成像装置的内部；超快光学连续成像装置用于快速循环检测微纳流通道内肿瘤细胞以及淋巴结处的淋巴细胞；超快光学突发成像装置用于快速检测微纳流通道内肿瘤细胞以及淋巴结处的淋巴细胞；微纳流通道，用于作为细胞快速循环检测的载体；所述计算机，用于实时处理分析通过超快光学连续成像装置和超快光学突发成像装置得到的数据，支持判断细胞是否为肿瘤细胞以及淋巴细胞数量和质量是否突变。

Description

肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统及方法

技术领域

本发明涉及肿瘤检测装置技术领域，尤其涉及一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统及方法。

背景技术

目前癌症诊断的方法主要为活组织检查、实验室检查、病例切片检查、核磁共振检查等。已知的一些方法，如公开号为CN 105796063 A的中国专利“肿瘤检测装置”，利用激光发生单元产生高频脉冲激光，经过光束耦合分为两路激光入射热弹性材料，超声检测器检测标准被热弹性材料产生的超声波，由超声波图像得出待检测组织的性质，由该超声波的频率和正常细胞的超声波的频率是否相同，可以判断是否具有肿瘤细胞存在。公开号为CN103776832 A的中国专利“早期癌细胞无漏检测系统”，中央控制系统控制图像获取机构相对病理玻片平面运动而实现对病理玻片的逐行逐列拍摄，中央控制系统根据拍摄所得的图像识别筛查出疑似早期癌变细胞。公开号为CN 107144696 A的中国专利“Ar113b蛋白在癌症诊断中的应用”，利用Arl13b蛋白特异性抗体或Arl13b蛋白特异性核酸探针作为癌症诊断试剂与细胞样品反应，通过检测与探针或抗体偶联的可检测基团获得抗体或探针的结合量，与正常细胞的结合量进行比较，对患者病情做出初步诊断。公开号为CN 102781316 A的中国专利“癌症诊断和成像”，施用治疗有效量的细胞周期抑制剂从而在G1和S期之间的细胞周期检查点处有效终止真核细胞的增殖，停止施用所述细胞周期抑制剂达一段时期，将标记物施用于所述哺乳动物并对所述哺乳动物进行成像。公开号为EP1706720的欧洲专利“BLOOD TEST PROTOTYPES AND METHODS FOR THE DETECTION OF CIRCULATING TUMOR ANDENDOTHELIAL CELLS”，用模拟转移性环境、心血管环境或胎盘环境的细胞粘附基质系统进行分离和诊断疾病，细胞粘附基质使从诸如血液的液体样品中富集诸如转移性肿瘤细胞、胎儿细胞和内皮祖细胞的靶细胞更容易，用于诊断和治疗患有诸如癌症、心血管和胎儿疾病的患者，该专利使用了使用多重分子分析的用于循环肿瘤细胞和内皮细胞的细胞富集和检测的血液测试样机和方法。

虽然这些方法都可以作为癌症诊断的条件，但是目前的检查手段通常只能检测肿瘤的某一阶段，只能做到离体检测，并且需要的时间长，流程繁琐。同样，美国强生公司开发的 Cellsearch的CTC检测系统利用免疫纳米磁颗粒富集上皮来源肿瘤细胞。纳米磁颗粒包含纳米铁磁核心，外面包被了抗EpCAM(上皮细胞粘附因子)的特异性抗体，通过抗原抗体反应，颗粒会与血液中的表达EpCAM的细胞结合。但是，循环肿瘤细胞总共有15个分型，强生只能检测到其中一个型别，漏检率很高。其次，无法实现活细胞捕获。死细胞可以做DNA测序但不能做RNA测序也不能做用药指导，所以只能实现计数功能。同时，肿瘤治疗经常会出现肿瘤复发和转移的情况，复检是一个必须的过程。如何更快速、准确、简单的完成复检也是肿瘤治疗必须要考虑的因素。

因此，迫切的需要一种能快速循环、准确的检测肿瘤和肿瘤所处阶段的系统和方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中对是否存在肿瘤以及肿瘤所处的分期状态检测速度慢的缺陷，提供一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统及方法，快速、准确检测和识别患者是否存在肿瘤以及肿瘤所处的分期状态，并能快速循环检测，判断肿瘤手术治疗后是否出现复发。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明产生的有益效果是：本发明通过超快光学连续成像装置以1000000个细胞每秒对特定器官和淋巴管内流经微纳流通道内的细胞快速循环检测，同时配合超快光学突发成像装置以THz的帧速度观察细胞瞬时变化，得到的细胞数据信息，再由计算机对采集得到的数据分析，快速、准确识别特定器官内是否存在肿瘤细胞、相应的淋巴结处的淋巴细胞数量和质量是否突变、肿瘤细胞是否发生远处转移，支持用户快速判断是否存在肿瘤以及肿瘤分期情况。

附图说明

图1为本发明实施例用于肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统原理图；

图2为本发明实施例超快光学连续成像装置结构示意图；

图3为本发明实施例超快光学突发成像装置结构示意图。

具体实时方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统如图1所示，包括超快光学连续成像装置1、超快光学突发成像装置2、微纳流通道3、计算机4、分束器5、第一反射镜6、第二反射镜7；

所述超快光学连续成像装置1用于快速循环检测特定器官内肿瘤细胞以及淋巴结处的淋巴细胞；所述超快光学突发成像装置2用于以更快的速度检测特定器官内肿瘤细胞以及淋巴结处的淋巴细胞；所述微纳流通道3用于作为细胞快速循环检测的载体；所述计算机4实时处理分析得到的数据，检测细胞是否为肿瘤细胞以及淋巴细胞数量和质量是否突变，判断器官是否癌变以及肿瘤所处的分期；所述分束器5用于将飞秒激光器产生的激光一分为二，产生两路激光；所述的第一反射镜6用于改变激光入射角度，使光路在超快光学连续成像系统内；所述的第二反射镜7用于改变激光入射角度，使光路在超快光学突发成像系统内；

超快光学连续成像装置1与计算机4连接；超快光学突发成像装置2与计算机4连接；分束器5位于第一反射镜6和第二反射镜7的前方；第一反射镜6位于超快光学连续成像装置1的前方；第二反射镜7位于超快光学突发成像装置2的前方；微纳流通道3位于超快光学连续成像装置1和超快光学突发成像装置2的内部。

优选地，实施例中所述分束器5选型为分束比50:50的Thorlabs的BS005；所述第一反射镜6选型为Thorlabs的BB1-E03；所述第二反射镜7选型为Thorlabs的BB1-E03；微纳流通道3优选使用材料为PDMS(聚二甲硅氧烷)和玻璃的产品。

所述超快光学连续成像装置1和超快光学突发成像装置2共用一台飞秒激光器，通过分束器5、第一反射镜6、第二反射镜7将飞秒脉冲分别入射到相应的超快光学连续成像和超快光学突发成像装置光路中。超快光学突发成像能实现THz的成像速度，但是成像帧数有限；超快光学连续成像能实验100MHz的成像帧速度，并且可以连续拍摄，没有帧数的限制。具体实施时可根据需要选用或同时使用。

实施例提供的一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统中，所述的超快光学连续成像装置1如图2所示，包括：飞秒激光器201、单模光纤202、第一准直器203、第一衍射光栅 204、聚焦组件A、收集组件B、第二衍射光栅211、第二准直器212、光电探测器213、高速数字示波器214，其中聚焦组件A包括顺次放置的、光轴在一条直线上的第一平凸透镜205、第二平凸透镜206及第一显微物镜207，收集组件B包括顺次放置的、光轴在一条直线上的第二显微物镜208、第三平凸透镜209及第四平凸透镜210。

其中，飞秒激光器201，产生飞秒脉冲；单模光纤202，对飞秒激光器201产生的飞秒脉冲进行时域拉伸，完成脉冲光谱到时域波形的复制；第一准直器203，用于将单模光纤202输出的脉冲从一定的角度以空间光的形式入射到第一衍射光栅204；所述第一衍射光栅204，将从第一准直器203入射的脉冲在空间中色散，实施例中实现一维色散；聚焦组件A，将经第一衍射光栅204色散后的光聚焦到微纳流通道内的细胞上，该微纳流通道用于作为细胞快速循环检测的载体；收集组件B，用于收集透过所述微纳流通道的脉冲，通过细胞后的脉冲将细胞表面信息编码到脉冲的光谱上，从而完成空间编码，形成空间色散脉冲；第二衍射光栅211，用于将收集组件B所得空间色散脉冲重新结合；第二准直器212将经第二衍射光栅 211重新结合的光脉冲耦合进光纤；光电探测器213，用于将第二准直器212耦合后所得光信号转换为模拟电信号；高速数字示波器214，用于将光电探测器213所得模拟电信号转换为数字电信号，并传输给计算机4处理。

具体实施时，高速数字示波器214一般可选带宽10G以上，高速相机309参数可选10k 以上。优选地，本发明的一个较佳实施例中，飞秒激光器201与单模光纤202、所述第一准直器203依次连接；第一衍射光栅204以一定的距离d₁＝10mm和角度θ₁＝60°置于第一准直器203的前方；第一平凸透镜205以一定的距离d₂＝50mm和角度θ₂＝5°置于第一衍射光栅204的前方；第二平凸透镜206以一定的距离d₃＝150mm置于第一平凸透镜205的前方；第一显微物镜207以一定的距离d₄＝100mm置于第二平凸透镜206的前方；第二显微物镜208以一定的距离d₅＝20mm置于第一显微物镜207的前方；第三平凸透镜209以一定的距离d₆＝100mm 置于第二显微物镜208的前方；第四平凸透镜210以一定的距离d₇＝150mm置于第三平凸透镜209的前方；第二衍射光栅211以一定的距离d₈＝50mm和角度θ₃＝5°置于第四平凸透镜210的前方；第二准直器212以一定的距离d₉＝10mm和角度θ₄＝60°置于第二衍射光栅211的前方；第二准直器212与光电探测器213、高速数字示波器214依次连接。

所述飞秒脉冲激光器201为相干(coherent)公司的中心波长780nm，重复频率80MHz，谱宽60nm的飞秒激光器；所述第一准直器202为thorlabs的F220FC-780；所述单模光纤203 为Nufern公司的Nufern 780-HP；所述第一衍射光栅204的刻线密度为1200/nm；所述第一平凸透镜205的焦距f＝50nm；所述第二平凸透镜206的焦距f＝100nm；所述第一显微物镜207 的数值孔径为0.65，放大倍数为50x；所述第二显微物镜208的数值孔径为0.65，放大倍数为50x；所述第三平凸透镜209的焦距f＝100nm；所述第四平凸透镜210的焦距f＝50nm；所述第二衍射光栅211的刻线密度为1200/nm；所述准直器212为thorlabs的F220FC-780；所述光电探测器213为Newport公司的Newport-1481-s；所述快速示波器214采用美国是德科技的DSA91304A。

实施例提供的一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统中，所述的超快光学突发成像装置如图3所示，包括：飞秒激光器301、玻璃棒302、第一显微物镜303、第二显微物镜304、空间分离组件C及高速相机309，其中空间分离组件包括顺次放置的D型反射镜305、棱镜 306、柱面透镜307及剪切镜308。

其中，飞秒激光器301，产生飞秒脉冲；玻璃棒302，在时域上拉伸飞秒激光器301产生的飞秒脉冲，将脉冲展宽，在时间上分开后将通过微纳流通道；第一显微物镜303，将通过玻璃棒302后的脉冲聚焦到微纳流通道内的细胞上；第二显微物镜304，收集通过微纳流通道内细胞的脉冲；

空间分离组件，将第二显微物镜304手机的脉冲在空间上分开，即将通过微纳流通道的在时间上分开的光脉冲进一步在空间上分开，其中具体地：D型反射镜305，改变从棱镜306 出来的脉冲角度，使得脉冲被高速相机309接收；棱镜306，将拉伸后的脉冲在空间中色散；柱面透镜307，将色散的脉冲平行入射到剪切镜308上；剪切镜308，将平行入射的色散脉冲根据剪切镜的大小和角度将脉冲分为6个具有不同高度和相同时间间隔的子脉冲；

高速相机309，接收被D型反射镜反射来的6个子脉冲。

本发明的一个较佳实施例中，玻璃棒302以一定的距离d₁＝100mm置于置于飞秒激光器 301的前方；第一显微物镜303以一定的距离d₂＝50mm置于玻璃棒302的前方；第二显微物镜304以一定的距离d₃＝20mm置于第一显微物镜303的前方；D型反射镜305以一定的距离 d₄＝50mm和角度θ₁＝45°置于第二显微物镜304的前方；棱镜306以一定的距离d₅＝50mm置于D型反射镜305的前方；柱面透镜307以一定的距离d₆＝50mm置于棱镜306的前方；剪切镜308以一定的距离d₇＝40mm置于柱面透镜307的前方；高速相机309以一定的距离 d₈＝30mm和角度θ₂＝45°置于D型反射镜305的前方。

所述飞秒脉冲激光器301为相干(coherent)公司的中心波长780nm，重复频率80MHz，谱宽60nm的飞秒激光器；所述玻璃棒302为定制的长度250mm的材料为BK7的玻璃棒；所述第一显微物镜303的数值孔径为0.65，放大倍数为50x；所述第二显微物镜304的数值孔径为0.65，放大倍数为50x；所述D型反射镜305为Thorlabs的BBD1-E03；所述棱镜306 为Thorlabs的AFS-CAF；所述柱面透镜307为Thorlabs的LJ1125L2-B；所述剪切镜308为定制的具有不同倾斜角度反射镜组合；所述高速相机309为IX-cameras公式的i-speed726。

实施例中，飞秒脉冲激光器201和飞秒脉冲激光器301共用同一台设备。

为便于实施参考起见，本发明还提供了一种使用上述肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统实现的检测识别方法，包括以下操作：

通过超快光学连续成像装置对微纳流通道内的细胞快速循环检测，获得细胞检测数据，并传递给计算机；

通过超快光学突发成像装置以更高的速度检测微纳流通道内的细胞，获得细胞检测数据，并传递给计算机；

计算机接收并处理分析超快光学连续成像装置和超快光学突发成像装置所检测得到的细胞数据，支持判断细胞是否为肿瘤细胞以及淋巴细胞数量和质量是否突变。

具体实施时，可以灵活使用本发明提供的检测识别系统，还可以扩展分析处理功能，例如人工智能算法分析。本发明要求保护系统装置及相应细胞检测识别过程，不涉及后续应用中的疾病的诊断和治疗方法。但为便于用户使用参考起见，提供相关的扩展应用方式建议如下：

1)当对患者进行检测时，将患者特定器官的动脉血管连接到微纳流通道的入口，通过控制细胞流速和设计合适的微纳流通道，使得患者的特定器官内的细胞在微纳流通道内匀速、稳定的流动；将患者的静脉血管连接到微纳流通道的出口，使得被检测后的细胞重新回到人体特定器官内；

所述的超快光学连续成像系统以1000000个细胞每秒的通量对微纳流通道内的细胞快速循环检测，获得细胞检测数据，并传递给计算机；

所述的超快光学突发成像系统以THz的帧速度在高速相机一次曝光时间内拍摄6张图像，检测微纳流通道内的细胞，获得细胞检测数据，并传递给计算机；

计算机接收并处理分析超快成像系统所检测得到的细胞数据，在治疗前，计算机借助人工智能算法提取大量的已知细胞状态的细胞特征，训练得到运算模型，在治疗时，计算机由治疗前训练得到的模型，根据所检测数据判断细胞是否存在肿瘤细胞以及肿瘤细胞的数量，判断该器官是否发生癌变；

2)当判断人体器官存在癌变时，将特定器官附近的淋巴结处的淋巴管接到微纳流通道的入口，通过控制细胞流速和设计合适的微纳流通道，使得患者的淋巴管内的淋巴细胞在微纳流通道内匀速、稳定的流动；将患者的淋巴管连接到微纳流通道的出口，使得被检测后的淋巴细胞重新回到人体淋巴管内；

所述的超快光学连续成像系统以1000000个细胞每秒的通量对微纳流通道内的细胞快速循环检测，获得细胞检测数据，并传递给计算机；

所述的超快光学突发成像系统以THz的帧速度在高速相机一次曝光时间内拍摄6张图像，检测微纳流通道内的细胞，获得细胞检测数据，并传递给计算机；

计算机接收并处理分析超快成像系统所检测得到的细胞数据，在治疗前，计算机借助人工智能算法提取大量的已知细胞状态的细胞特征，训练得到运算模型，在治疗时，计算机由治疗前训练得到的模型，根据所检测数据判断淋巴细胞是否发生变异以及淋巴细胞的数量和质量，以判断淋巴结处是否发生癌变；

3)当判断淋巴结存在癌变时，选取远离特定器官的某处器官，将该器官的动脉血管接到微纳流通道的入口，通过控制细胞流速和设计合适的微纳流通道，使得患者器官内的细胞在微纳流通道内匀速、稳定的流动；

将患者的静脉血管连接到微纳流通道的出口，使得被检测后的细胞重新回到人体该器官内；

所述的超快光学连续成像系统以1000000个细胞每秒的通量对微纳流通道内的细胞快速循环检测，获得细胞检测数据，并传递给计算机；

所述的超快光学突发成像系统以THz的帧速度在高速相机一次曝光时间内拍摄6张图像，获得细胞检测数据，并传递给计算机；

计算机接收并处理分析超快成像系统所检测得到的细胞数据，在治疗前，计算机借助人工智能算法提取大量的已知细胞状态的细胞特征，训练得到运算模型，在治疗时，计算机由治疗前训练得到的模型，根据所检测数据判断细胞是否存在癌细胞以及癌细胞的数量和大小，以判断癌症是否发生远处转移。

当患者完成癌症手术治疗后，为确认手术是否成功以检测是否出现复发现象，可以重复上述过程，检测是否出现癌症蔓延以及癌症种植现象，判断肿瘤是否复发。

综上，使用本发明实施例所提供系统时，可通过超快光学连续成像装置以1000000个细胞每秒的高通量对特定器官和淋巴管内流经微纳流通道内的细胞快速循环检测，同时搭配超快光学突发成像装置在高速相机一次曝光时间内以THz的帧速度拍摄6帧图像，观察细胞瞬时变化，得到的细胞数据信息，再由计算机对采集得到的数据通过人工智能算法分析，快速、准确识别特定器官内是否存在肿瘤细胞、相应的淋巴结处的淋巴细胞数量和质量是否突变、肿瘤细胞是否发生远处转移，支持用户快速判断是否存在肿瘤以及肿瘤分期情况。用户可根据需要灵活使用超快光学连续成像装置进行循环成像，或使用超快光学突发成像装置进行快速成像，或两种都进行。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统，其特征在于：包括超快光学连续成像装置、超快光学突发成像装置、微纳流通道和计算机，超快光学连续成像装置、超快光学突发成像装置分别连接计算机，微纳流通道位于超快光学连续成像装置和超快光学突发成像装置的内部；

所述超快光学连续成像装置，用于快速循环检测微纳流通道内肿瘤细胞以及淋巴结处的淋巴细胞；

所述超快光学突发成像装置，用于快速检测微纳流通道内肿瘤细胞以及淋巴结处的淋巴细胞；

所述微纳流通道，用于作为细胞快速循环检测的载体；

所述计算机，用于实时处理分析通过超快光学连续成像装置和超快光学突发成像装置得到的数据，支持判断细胞是否为肿瘤细胞以及淋巴细胞数量和质量是否突变。

2.根据权利要求1所述的一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统，其特征在于：所述的超快光学连续成像装置包括以下部件，

飞秒激光器，用于产生飞秒脉冲；

单模光纤，用于对飞秒激光器产生的飞秒脉冲进行时域拉伸，完成脉冲光谱到时域波形的复制；

第一准直器，用于将单模光纤202输出的脉冲以空间光的形式入射到第一衍射光栅；

第一衍射光栅，用于将从第一准直器入射的脉冲在空间中一维色散；

聚焦组件，用于将经第一衍射光栅色散后的脉冲聚焦到微纳流通道内细胞上，该微纳流通道用于作为细胞快速循环检测载体；

收集组件，用于收集通过微纳流通道的脉冲，通过细胞后的脉冲将细胞表面信息编码到脉冲的光谱上，形成空间色散脉冲；

第二衍射光栅，用于将收集组件所得空间色散脉冲重新结合；

第二准直器，用于将经第二衍射光栅重合结合的脉冲耦合进光纤；

光电探测器，用于将光信号转换为模拟电信号；

快速示波器，用于将光电探测器所得模拟电信号转换为数字电信号，并传输给计算机处理。

3.根据权利要求2所述的一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统，其特征在于：所述聚焦组件包括顺次放置且光轴在一条直线上的第一平凸透镜、第二平凸透镜及第一显微物镜。

4.根据权利要求2所述的一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统，其特征在于：所述收集组件包括顺次放置且光轴在一条直线上的第二显微物镜、第三平凸透镜及第四平凸透镜。

5.根据权利要求1所述的一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统，其特征在于：所述的超快光学突发成像装置包括以下部件，

飞秒激光器，用于产生飞秒脉冲；

玻璃棒，用于拉伸飞秒激光器产生的光脉冲；

第一显微物镜，用于将通过玻璃棒后的光脉冲聚焦到微纳流通道内的细胞上；

第二显微物镜，用于收集通过微纳流通道的光脉冲；

空间分离组件，用于将通过微纳流通道的在时间上分开的光脉冲在空间上分开；

高速相机，用于收集通过微纳流通道后经空间分离组件输入的光脉冲。

6.根据权利要求5所述的一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统，其特征在于：所述空间分离组件包括顺次放置的D型反射镜、棱镜、柱面透镜及剪切镜。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统，其特征在于：所述超快光学连续成像装置和超快光学突发成像装置共用一台飞秒激光器，设置分束器、第一反射镜和第二反射镜，所述分束器用于将飞秒激光器产生的激光一分为二，产生两路激光；所述的第一反射镜用于改变激光入射角度，将飞秒脉冲入射到相应的超快光学连续成像装置中；所述的第二反射镜用于改变激光入射角度，将飞秒脉冲入射到相应的超快光学突发成像装置中。

8.一种肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别方法，其特征在于：采用权利要求1至7所述的肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别系统实现对肿瘤或淋巴细胞的快速循环检测识别。

9.根据权利要求8所述肿瘤、淋巴细胞快速循环检测识别方法，其特征在于：检测识别实现如下，

通过超快光学连续成像装置对微纳流通道内的细胞快速循环检测，获得细胞检测数据，并传递给计算机；

通过超快光学突发成像装置以更高的速度检测微纳流通道内的细胞，获得细胞检测数据，并传递给计算机；

计算机接收并处理分析超快光学连续成像装置和超快光学突发成像装置所检测得到的细胞数据，支持判断细胞是否为肿瘤细胞以及淋巴细胞数量和质量是否突变。

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