CN117357072A - 一种基于金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置。其中，该装置包括：荧光读出装置、微波发生控制装置、激光发生控制装置、计算控制系统以及医疗诊断台；医疗诊断台中的金刚石微波传感探头用于向待测目标辐射探测微波，相机用于拍摄待测目标的图像并发送至计算控制系统；微波发生控制装置用于产生输入到金刚石微波传感探头中的操控微波，激光发生控制装置用于产生输入到金刚石微波传感探头中的激光；计算控制系统用于计算待测目标散射的微波强度，并求解待测目标内部介电性质的分布情况。本发明利用金刚石中的NV色心作为探针对微波场的进行测量，能够实现对乳腺组织内癌变组织高灵敏度、高空间分辨率的微波成像。

Description

一种基于金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置

技术领域

本发明实施例涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种基于金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置。

背景技术

乳腺癌位居我国女性恶性肿瘤发病率第一，晚期癌症具有极高的致死率。近年来，我国女性乳腺癌发病率呈上升趋势。针对乳腺癌进行早期筛查，做出快速、准确的诊断能够极大的降低乳腺癌的致死率，提高病人的生存率。所以需要一种安全、灵敏度与分辨率高、价格便宜的乳腺癌检测手段。

乳腺X射线检测是目前主要的影像学筛查手段，但是该检测手段有电离辐射损伤，对于致密型乳腺检测灵敏度低的劣势。乳腺超声检测无电离辐射，且适用于致密型乳腺的检测，但是其检测灵敏度与分辨率较低。磁共振成像技术具有极高的检测灵敏度与分辨率且没有电离辐射损伤，但是该技术测量时间长需要被检测对象保持静止，否则会产生伪影从而影响检测结果的准确性，不仅如此磁共振成像技术检测成本极高，不适用于作为乳腺癌早期筛查的手段。

乳腺微波成像技术作为一种无电离辐射的检测手段，理论上有着较高灵敏度与分辨率，成本适中，十分适合乳腺癌的早期筛查。目前已有的基于传统电磁感应原理的乳腺癌微波检测技术灵敏度与分辨率指标仍有提升空间。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种基于金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置，以提高乳腺癌检测装置的灵敏度和分辨率。

第一方面，本发明提供一种基于金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置，包括：

荧光读出装置、微波发生控制装置、激光发生控制装置、计算控制系统以及医疗诊断台；

所述医疗诊断台包括金刚石微波传感探头和相机，所述金刚石微波传感探头用于在不同检测位置向待测目标辐射探测微波以及测量待测目标散射的微波信号，所述相机用于在不同检测位置处拍摄待测目标的图像并发送至所述计算控制系统；

所述微波发生控制装置用于产生输入到金刚石微波传感探头中的操控微波，所述激光发生控制装置用于产生输入到金刚石微波传感探头中的激光；

所述荧光读出装置用于收集金刚石微波传感探头发出的荧光信号并将荧光信号转换为电信号后输入计算控制系统；

所述计算控制系统用于根据荧光信号的变化计算待测目标散射的微波强度，并结合不同检测位置处金刚石微波传感探头和待测目标的相对方位，以及相机拍摄的图像反解待测目标内部介电性质的分布情况，以根据待测目标内部介电性质的分布情况分辨待测目标是否存在癌变的组织。

可选的，所述医疗诊断台还包括位移俯仰调节装置和用于放置待测目标的孔洞；所述位移俯仰调节装置用于调节金刚石微波传感探头的检测位置，以使相机在各个检测位置处拍摄待测目标的图像。

可选的，所述金刚石微波传感探头包括金刚石探针、微波辐射装置和光导结构；

所述微波辐射装置用于接收微波发生控制装置输入的操控微波，并向待测目标辐射微波；所述光导结构用于将输入的激光传导到金刚石探针上，并将收集到的金刚石探针发出的荧光信号输出到荧光读出装置。

可选的，所述金刚石探针为金刚石中的氮-空位色心。

本发明利用金刚石中的氮-空位（NV）色心对微波场的高灵敏度测量，能够实现对乳腺组织内癌变组织高灵敏度、高空间分辨率的微波成像。本发明的有益效果如下：

本发明使用的微波成像技术无电离辐射、成本适中、灵敏度与空间分辨率较高，十分适合乳腺癌的早期筛查。

金刚石中的NV色心为固态自旋体系，本发明使用固态自旋体系作为探针，能够克服传统微波成像测量手段的不足，可以实现高灵敏度与高空间分辨率的乳腺微波成像，成本适中，准确度高，为乳腺癌的早期筛查提供了额外的技术支持和仪器装备，有望在未来降低乳腺癌的致死率，进一步提高患者的生存率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置的整体结构图；

图2为本发明实施例提供的一种金刚石微波传感探头结构示意图。

具体实施方式

本实施例的技术方案基于微波成像技术，微波成像技术利用微波在不同利用人身体不同生理组织和不同生理状态具有不同的介电性质，比如电导率与介电常数。通过测量微波经过不同介电性质的组织间散射后的幅度分布，结合电磁反解算法，实现对身体组织的微波成像。通过这种方法可以非破坏非侵入的对生物体内的生理状态进行检测。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种基于金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置的整体结构图。参见图1，该装置包括荧光读出装置、微波发生控制装置、激光发生控制装置、计算控制系统以及医疗诊断台。

其中，医疗诊断台包括一个用于放置患者乳房的孔洞、金刚石微波传感探头、位移俯仰调节装置以及相机。

可选的，本实施例中的金刚石探针为金刚石中的NV色心。NV色心作为金刚石中的一种点缺陷，在室温大气环境下有着优良的相干性质。在外部连续激光的作用下，NV色心会产生连续的荧光。如果此时存在一个与NV色心能级相匹配的待测微波，NV色心的荧光会发生下降，该下降幅度正比于微波幅度的平方。进一步的，如果主动施加一个幅度远大于待测微波幅度的操控微波，此时NV色心由于待测微波引起的幅度下降为待测微波与操控微波幅度的乘积，所以使用该方法可以实现对乳房组织高灵敏度、高分辨率的微波成像，达到高效的对乳腺癌进行早期筛查的目的。

此外，也可以用磷硅体系、砷化镓量子点、砷化铟量子点等作为金刚石探针。

具体的，金刚石微波传感探头用于不同检测位置向待测目标辐射探测微波并测量待测目标散射的微波信号，相机用于在不同检测位置处拍摄待测目标的图像并发送至计算控制系统，位移俯仰调节装置用于调节金刚石微波传感探头的检测位置，以使相机在各个不同的检测位置处拍摄待测目标的图像。

本发明实施例将相机与金刚石微波传感探头配合使用，相机拍摄的图像信号用于记录患者乳房的形态以及定位金刚石微波传感探头，该方法可以降低电磁反解问题的复杂度，从而提供更精准的测量结果。

进一步的，微波发生控制装置用于产生输入到金刚石微波传感探头中的操控微波，激光发生控制装置用于产生输入到金刚石微波传感探头中的激光。上述微波发生控制装置和激光发生控制装置均通过计算控制系统进行控制。

荧光读出装置用于收集金刚石微波传感探头发出的荧光信号并将荧光信号转换为电信号后输入计算控制系统。

本实施例中，计算控制系统根据荧光信号的变化计算待测目标散射的微波强度，并结合不同检测位置处金刚石微波传感探头和待测目标的相对方位，以及相机拍摄的图像反解待测目标内部介电性质的分布情况，以根据待测目标内部介电性质的分布情况分辨待测目标是否存在癌变的组织。

计算机控制系统中具体的反解步骤如下：

步骤1、在不放置待测目标的情况下，使用金刚石微波传感探头在各个检测位置进行微波强度的测量，从而得到荧光信号变化的信息，传输至计算控制系统，计算可得该位置的本征微波磁场强度B_inc；

步骤2、在放置待测目标后，使用金刚石微波传感探头在待测目标各个检测位置进行微波强度的测量，从而得到荧光信号变化的信息，传输至计算控制系统，计算可得该位置的总微波磁场强度B，由待测目标散射导致的微波磁场强度B_scat为总微波磁场强度与本征微波磁场强度之差；

步骤3、记录各个检测位置处金刚石微波传感探头与待测目标的相对方位以及待测目标的表面形状，传输至计算控制系统，可以得到计算所需的边界条件。

步骤4、散射微波磁场强度满足磁场积分方程（magnetic field integralequations，MFIEs），可以简略的写为B=B_inc+AB的形式，其中A为与待测目标介电性质依赖的算符，通过步骤1、2得到的多组B与B_inc的值，以及步骤3中的边界限制条件，可以反解得到待测目标的介电性质的分布情况。根据介电性质的分布状况，可以进一步判断待测目标中是否存在癌变组织，例如，癌变组织具有更高的电导率与介电常数，如果介电性质的分布中存在高电导率聚集的部分，该位置有很大可能性存在癌变组织。

进一步参见图2，金刚石微波传感探头包括金刚石探针、微波辐射装置、光导结构和将各部件固定起来的框架结构。其中，微波辐射装置用于接收输入的微波，并向待测目标辐射微波以及提供金刚石探针测量所需的操控微波。示例性的，光导结构可选用光纤，用于将输入的激光传导到金刚石探针上，并收集金刚石探针的荧光将其输出到荧光读出装置。金刚石探针在激光和微波的作用下可以测量待测目标散射的微波，散射微波的强度可以通过荧光信号的变化来读出。

本实施例的技术方案，得益于金刚石量子传感器对微波的高灵敏响应以及其亚波长的探测器尺寸，使用金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置的灵敏度和分辨率可以更高。

进一步的，本实施例还提供一种基于金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置的检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：金刚石NV探针制备。

步骤2：组装金刚石微波传感探头，如图2所示。使用光纤作为光导结构连接金刚石探针，光导结构用于激光传输以及荧光收集；然后安装固定微波辐射装置，使其产生的操控微波的磁场方向垂直于金刚石探针表面；最后使用外框架将各个组件固定起来。

步骤3：组装基于金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置。将步骤2中组装的金刚石微波传感固定于位移俯仰调节装置上，将一个相机与金刚石微波传感探头平行放置，用于成像定位金刚石微波传感探头探测的位置。将以上装置装载在带有孔洞的医疗诊断台上，接下来连接各个装置，用以实现如图1所示的控制与读出的功能。

步骤4：将待测目标放置于孔洞中，在金刚石微波传感探头与待测目标之间使用超声凝胶作为填充用的耦合剂，来降低待测目标表面的反射。

步骤5：调整固定位移俯仰调节装置，使得金刚石微波传感探头朝向待测目标。

步骤6：相机拍摄并将图像传输至计算控制系统，得到金刚石微波传感探头与待测目标的相对位置与角度以及待测目标的表面形状信息。

步骤:7：由计算控制系统控制连续的波长为532 nm的激光与频率为2.87 GHz 微波输入进金刚石微波传感探头，测量由于待测目标散射的微波而导致的荧光信号的下降，从而计算得到该位置待测目标散射的微波强度。

步骤8：再次调节位移俯仰调节装置，改变金刚石微波传感探头的位置与角度，重复步骤6到步骤7，直到测量遍历了待测目标的各个方位。

步骤9：根据上述步骤得到的待测目标各个方位散射的微波强度，将待测目标的表面形状信息作为边界条件，根据电磁反解算法，可以得到待测目标内部介电性质的分布情况，如果分布均匀，则存在癌变组织的概率很低，反之，则有癌症风险。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种基于金刚石量子传感器的乳腺癌检测装置，其特征在于，包括：

荧光读出装置、微波发生控制装置、激光发生控制装置、计算控制系统以及医疗诊断台；

所述医疗诊断台包括金刚石微波传感探头和相机，所述金刚石微波传感探头用于在不同检测位置向待测目标辐射探测微波以及测量待测目标散射的微波信号，所述相机用于在不同检测位置处拍摄待测目标的图像并发送至所述计算控制系统；

所述微波发生控制装置用于产生输入到金刚石微波传感探头中的操控微波，所述激光发生控制装置用于产生输入到金刚石微波传感探头中的激光；

所述荧光读出装置用于收集金刚石微波传感探头发出的荧光信号并将荧光信号转换为电信号后输入计算控制系统；

所述计算控制系统用于根据荧光信号的变化计算待测目标散射的微波强度，并结合不同检测位置处金刚石微波传感探头和待测目标的相对方位，以及相机拍摄的图像反解待测目标内部介电性质的分布情况，以根据待测目标内部介电性质的分布情况分辨待测目标是否存在癌变的组织。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述医疗诊断台还包括位移俯仰调节装置和用于放置待测目标的孔洞；

所述位移俯仰调节装置用于调节金刚石微波传感探头的检测位置，以使相机在不同检测位置处拍摄待测目标的图像。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金刚石微波传感探头包括金刚石探针、微波辐射装置和光导结构；

所述微波辐射装置用于接收微波发生控制装置输入的操控微波，并向待测目标辐射微波；所述光导结构用于将输入的激光传导到金刚石探针上，并将收集到的金刚石探针发出的荧光信号输出到荧光读出装置。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述金刚石探针为金刚石中的氮-空位色心。