CN117982109B - 适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置 - Google Patents

Abstract

适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置涉及光学检测技术领域，解决了活性组织表面不平整造成的成像不稳定，定位控制难度高的技术问题。该装置包括：激光器、双色高反镜、汇聚镜组件、窗口镜片、微纳颗粒层和光纤拉曼光谱仪；微纳颗粒层制作在窗口镜片与组织接触面上；激光器发出激光束，经过双色高反镜反射至汇聚镜组件，由汇聚镜组件汇聚，在微纳颗粒层聚焦，聚焦激光诱导的拉曼信号微纳颗粒层的作用下被增强，位于微纳颗粒层与生物组织界面产生的逆向的拉曼散射信号，逆激光入射方向经过汇聚镜组件收集，以近平行光束的形式透过双色高反镜，耦合到光纤拉曼光谱仪中。汇聚镜组件平动扫描，实现拉曼光谱成像。

Description

适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，更具体地，涉及适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置。

背景技术

拉曼光谱在生物组织检测方面具有独特的优势，生物结构特征信息通过光谱结构能够高分辨地解析物质的构成与空间分布图像，检测可以在水液环境进行中，避免了水液对其他类似检测技术的干扰。拉曼光谱在蛋白质二级结构的研究、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研究中的应用均有文献报道。对于拉曼光谱在生物活体和单细胞的应用技术开拓和基础研究，近几年备受国内外研究机构和学者的关注。但拉曼光谱技术为了获得准确且高强度信号（非增强情况下，拉曼信号强度比荧光信号低5个数量级），必须采用激光激发。激光作为高能量密度的光，在不适当的情况下，由于热效应或光化学反应，极易对生物组织产生损伤，为生物组织的复杂性带来了荧光等因素的干扰，例如其中某些蛋白分子可能在激光作用下发射荧光，这种荧光发射会干扰拉曼信号的检测。由于上述诱导光化学作用与荧光，以及热积累等这些现实问题，现在拉曼光谱技术在活体检测方面，大多处于离体检测分析阶段。

由于常规的拉曼检测技术获得的拉曼信号极弱，在生物组织检测上，采用了增强技术，包括针尖共振增强，在生物组织表面喷金属颗粒增强受激拉曼技术。受激拉曼技术是基于不同波长的双光束激光激发生物组织，第二束激光的波长正好匹配第一束激光引起的拉曼散射波长，以此调制第二束激光的反射或透射散射光的光强，检测被增强的拉曼信号，此类检测技术涉及双光路控制而且两束激光共同作用在活体组织上也极易引起损伤。针尖增强技术要求针尖必须保持在被测物表面而且是光束焦点区内，在成像区针尖扫描获取拉曼信号成像，此技术非常适合于离体的被压平的检测对象，而活性组织表面基本是大幅度地不平整的，针尖增强技术无法在技术上适用。在活体表面喷金属颗粒增强是基于金属微纳米颗粒，如金、银等纳米或亚微米颗粒，会诱导局域表面等离子体效应而增强拉曼散射强度，理论上金属颗粒可以增强拉曼信号强度6到9个数量级。但针对实际活体检测，生物组织的表面结构是立体化的，这样激光束必须在组织表面聚焦，激光物镜头和拉曼信号采集头必须高精准地位置操控并随喷金属的表面三维微动来成像，在技术上有极难的机械与电控要求，而且活体在位的检测还存在空间限制，不能允许大空间尺寸的部件生物体内。

发明内容

本发明的目的是提供适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置的新技术方案，解决了活性组织表面不平整造成的成像不稳定，定位控制难度高的技术问题。

本发明的技术方案：

适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置，该装置包括：激光器、双色高反镜、汇聚镜组件、窗口镜片、微纳颗粒层和光纤拉曼光谱仪；所述微纳颗粒层制作在所述窗口镜片与组织接触面上；所述激光器发出激光束，经过所述双色高反镜反射至所述汇聚镜组件，由所述汇聚镜组件汇聚，在所述微纳颗粒层与生物组织的界面聚焦，所述聚焦激光诱导的拉曼信号所述微纳颗粒层的作用下被增强，位于所述微纳颗粒层与生物组织界面产生的逆向的拉曼散射信号，逆激光入射方向经过所述汇聚镜组件收集，以近平行光束的形式透射过所述双色高反镜，耦合到光纤拉曼光谱仪中。

优选的，所述双色高反镜的透射波长为635.5~780nm；反射波长为632.5nm。

优选的，所述微纳颗粒层的材料为金或银；颗粒尺寸在10~200nm，颗粒覆盖面占比低于20%，光的透射比不低于50%。

优选的，所述窗口镜片材料为双面高抛光的透明无荧光融石英，光透射比高于93%。

优选的，所述微纳颗粒层利用光刻工艺和热处理技术制备在所述窗口镜片上。

优选的，所述汇聚镜组件在垂直激光光轴方向做二维平动，并保持激光汇聚束腰在窗口镜前端。

优选的，所述汇聚镜组件的运动范围为1mm×1mm。

优选的，还包括：透镜组；所述逆向的拉曼散射信号，逆激光入射方向经过所述汇聚镜组件，以近平行光束的形式透过所述双色高反镜，由所述透镜组收集耦合到光纤拉曼光谱仪中。

优选的，所述汇聚镜组件和透镜组在620~780nm光谱范围做增透膜处理。

优选的，所述汇聚镜面直径与激光束直径的比在3-10之间。

有益效果：本发明采用背照式的设计与金属微纳颗粒增强拉曼模式提高了扫描成像的面分辨率；适用在位的活体组织，如脑开颅手术过程，检测病变或坏死的组织；利用采集窗口镜面接触生物组织表面形成平整面，提高了生物组织表面的平整度；窗口可定期更换；将均匀分布的金属颗粒固定在探测窗口面上，在不损伤生物组织的前提下，获得高信噪比的拉曼信号，即在生物组织表面实现拉曼信号增强模式，同时避免了毒性的污染；扫描成像时，光束汇聚与信号收集装置通过简单运动模式实现，即三维扫描降级为二维扫描，提高了信号的稳定性。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置的原理图。

图2为本发明适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置的结构示意图。

图3为本发明适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置的显微透镜聚焦光束与窗口片位置关系图。

图4实测的脑组织拉曼光谱。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

如图1和图2所示，适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置，该装置包括：激光器、双色高反镜、汇聚镜组件、窗口镜片、微纳颗粒层、透镜组和光纤拉曼光谱仪；所述微纳颗粒层制作在所述窗口镜片与组织接触面上；考虑到金属与生物组织的作用，减少由于偶然因素造成微纳颗粒脱落的可能，微纳颗粒的材质选择对生物体友好的材料，本实施例采用金或银的纳米尺度颗粒；颗粒尺寸在50~200nm，颗粒覆盖面占比低于20%，光的透射比不低于50%；利用光刻工艺和热处理技术制备在所述窗口镜片上。所述激光器发出激光束，本实施例中，激光束的波长采用632.5nm，该波长激光对大多的生物组织、细胞和分子不能产生荧光，能抑制拉曼散射光谱的背景，提高检测信号的信噪比。所述激光束经过所述双色高反镜反射至所述汇聚镜组件，所述双色高反镜的透射波长为635.5~780nm；反射波长为632.5nm。反射激光束由所述汇聚镜组件汇聚，在所述微纳颗粒层与生物组织的界面聚焦并激发，所述聚焦激光诱导的拉曼信号所述微纳颗粒层的作用下被增强，位于所述微纳颗粒层与生物组织界面产生的逆向的拉曼散射信号，逆激光入射方向经过所述汇聚镜组件收集，以近平行光束的形式透射过所述双色高反镜，由所述透镜组收集，经由光纤耦合头和光纤，入射到光纤拉曼光谱仪中。拉曼散射光采集方法为背散射模式，即散射光收集的方向是激光入射方向的逆向，由汇聚镜组件逆向收集拉曼散射光。拉曼散射增强是通过预制在窗口镜面上的金或银纳米尺度颗粒在激光诱导局域表面等离子效应来实现。拉曼散射的增强幅度是与金或银纳米颗粒的线曲率半径和颗粒之间的间距相关联，一般曲率半径越小，诱导的增强效应越高，颗粒之间的间距越近，光诱导的金属颗粒之间等离子体耦合越强。但金属颗粒间距过窄会降低拉曼散射光的背向输出和入射激光在被测组织与金属颗粒界面的导出。

针对活体生物组织的结构尺寸特征，特别是病变体的区域组织结构特征，通常病变部位的组织在几十微米到亚毫米尺度，因此窗口镜片的直径在5mm以内是可以满足检测区域要求的，其中所述窗口镜片材料为双面高抛光的透明无荧光融石英，光透射比高于93%。

汇聚镜组和透镜组在620~780nm光谱范围做增透膜处理，此范围对应拉曼光谱范围100~3000cm^-1，同时也覆盖了激光波长。

拉曼光谱成像是通过电控位移台平动汇聚镜组二维扫描来实现，在窗口镜片和激光入射光路和后端拉曼散射光收集光路不动的条件下，汇聚镜组光轴中心的原点零位定位在入射激光束轴中心，由电控位移台在1mm范围内平动驱动汇聚镜组平动，或者以中心位置为原点，在±0.5mm范围二维平动实现激光焦点在窗口镜片前端面的扫描。扫描平面保持与窗口镜片的等距平行。而且在扫描过程中，汇聚镜组的光轴一直保持与激光光束的方向平行，汇聚镜组的后镜面直径与激光束在该镜面光斑直径的比值在3-5之间，保证在汇聚镜组平动0.5mm范围。汇聚镜组平动过程中，激光束照射在汇聚镜组的中心区域，汇聚镜组的镜面直径应不低于10mm。

为了保证高效的拉曼散射信号增强，激光束的汇聚焦点必须定位在金属颗粒与被测生物组织的交界处，即汇聚镜组与窗口镜片前端面的距离与汇聚镜组的焦距相等，而且此处激光光斑的尺寸要满足拉曼光谱成像的空间分辨率要求。本实施例采用背照式激光导入和高透射比无荧光融石英窗口，窗口片厚度限定不大于0.5mm，激光光束汇聚点的光斑尺寸确定可以忽略窗口片的影响因素，我们采用的激光束为TE00模，激光束在金属颗粒与被测生物组织的交界处的光斑尺寸理想状态下：

。

这里是聚焦光斑直径，是激光波长，是汇聚镜组的焦距，是入射光在汇聚 镜组激光光斑直径，是激光光束质量因子，是介质折射率。考虑到入射光束为TE00模 的高斯光束，为1。融石英的折射率在633nm附近约为1.457，束腰点远离的入射激光束直 径控制在2~3mm，对于焦距10mm的汇聚镜组，可以估算出焦点光斑直径约2.3µm。但实际的系 统可能存在并未能准确将窗口镜片前端面校准在激光聚焦点即光束束腰处，并且汇聚镜组 前的入射光束的束腰位置也未远离汇聚镜组，如图3所示。

图中为窗口镜片前端面偏离聚焦点距离，S与S’分别为激光束在汇聚镜组前后 的束腰与汇聚镜组中心的距离，w为不同对于位置的光斑直径。此时在窗口镜片前端面的光 斑大小由汇聚镜组焦距f、窗口镜片前端面与汇聚镜组中心距离L和S影响，

。

这里光束在聚焦点的焦深，按前面的参数，约为60µm，据此可以推定，在2倍焦深范围内，即窗口镜片偏离焦点±0.12mm范围，在窗口镜片前端面光斑的直径 不大于6µm，再加入汇聚镜组球差的影响，上述偏离范围内，光斑的直径可能扩大到10µm。生 物组织尺度在几十微米到毫米范围，10µm的尺度分辨是可以满足其病理微结构的有效分辨 尺度要求的。

而且在焦深大小尺度范围内，高斯光束的激光强度变化幅度有限，引起的拉曼 散射信号浮动不大。

依据上述两方面因素，窗口镜片前端面固定位置定位在汇聚镜组的焦点处，可允许的偏离距离为±0.1mm。

窗口镜片前端面的金或银的微纳颗粒可以通过光刻制备周期性的金属阵列锥体，也可以通过镀厚度在5~10nm的薄膜，在真空或气氛环境下适当热处理形成无规则但均匀的纳米颗粒分布，或利用光刻工艺和热处理技术结合制备了网格分布的金或银微纳颗粒。这些工艺得到的纳米颗粒尺度控制在50~200nm。而且要足够的透光间隙区，金属颗粒覆盖面占比低于20%，光的透射比不低于50%。

控制显微物镜二维扫描的电控位移平台的步进位移幅度应和显微透镜聚焦在被测物处的光斑尺寸匹配，按前述，光斑的直径控制在10µm以内，考虑到成像要求两个测试点之间光斑激发区要有一定的交汇区，这样才会清晰地获得结构细节的变化，所以电控步进幅度应不高于10µm，但考虑到步进精度和实际需求，步进幅度也要不低于5µm。

拉曼光谱仪的光谱响应范围为100~3000cm^-1，光谱分辨率不低于3cm^-1以适应生物组织，特别是脑组织特定构成物质的拉曼光谱主要分布在1000-2000cm^-1范围内。拉曼光谱的成像是选定拉曼散射光谱中某一个散射峰或一组散射峰为成像目标参量，经过光谱预处理，依据是荧光与噪音和杂散信号与拉曼散射峰相比，这几类信号随波数是缓变包络，可以作为背底处理。处理流程包括，荧光背底与噪音和杂散信号做宽包络拟合，确定在拉曼峰位置出信号强度中背景值，扣除相应背景值后，得到该拉曼散射峰的强度，建立目标参量的强度数组，在激光束扫描被测物面过程中，构建该强度数值组在二维空间面的分布。我们选定的拉曼峰是与生物组织中特定物或结构对应，所以目标参量的强度分布图是与病理组织的照片分析具有同构的结构细节，如图4所示，它为现场的手术提供了直观地诊断依据。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置，其特征在于，该装置包括：激光器、双色高反镜、汇聚镜组件、窗口镜片、微纳颗粒层和光纤拉曼光谱仪；所述微纳颗粒层制作在所述窗口镜片与组织接触面上；所述激光器发出激光束，经过所述双色高反镜反射至所述汇聚镜组件，由所述汇聚镜组件汇聚，在所述微纳颗粒层与生物组织的界面聚焦，聚焦激光诱导的拉曼信号在所述微纳颗粒层的作用下被增强，位于所述微纳颗粒层与生物组织界面产生的逆向的拉曼散射信号，逆激光入射方向经过所述汇聚镜组件收集，以近平行光束的形式透射过所述双色高反镜，耦合到光纤拉曼光谱仪中；所述微纳颗粒层的材料为金或银；颗粒尺寸在10~200nm，颗粒覆盖面占比低于20%，光的透射比不低于50%；所述窗口镜片材料为双面高抛光的透明无荧光融石英，光透射比高于93%；所述汇聚镜组件在垂直激光光轴方向做二维平动，并保持激光汇聚束腰在窗口镜前端。

2.根据权利要求1所述的适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置，其特征在于，所述双色高反镜的透射波长为635.5~780nm；反射波长为632.5nm。

3.根据权利要求1所述的适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置，其特征在于，所述微纳颗粒层利用光刻工艺和热处理技术制备在所述窗口镜片上。

4.根据权利要求1所述的适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置，其特征在于，所述汇聚镜组件的运动范围为1mm×1mm。

5.根据权利要求1所述的适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置，其特征在于，还包括：透镜组；所述逆向的拉曼散射信号，逆激光入射方向经过所述汇聚镜组件，以近平行光束的形式透过所述双色高反镜，由所述透镜组收集耦合到光纤拉曼光谱仪中。

6.根据权利要求5所述的适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置，其特征在于，所述汇聚镜组件和透镜组在620~780nm光谱范围做增透膜处理。

7.根据权利要求1所述的适用于脑组织在位检测的拉曼探测头装置，其特征在于，汇聚镜面直径与激光束直径的比在3-10之间。