CN1961819A - 一种获取组织显微层析像及光谱的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤共聚焦系统获取组织显微层析像及光谱的方法和装置。白光源作照明光源；光纤共聚焦系统照明组织和获取携带组织信息的信号光；采用两种方式接收组织后向散射信号光；通过信号采集和处理，计算机显示组织的层析像和生化成份的光谱，并控制扫描装置运行。对比正常组织的细胞和细胞核形态以及生化成份的光谱，根据形态差别和光谱差别诊断癌症的早期病变。

Description

一种获取组织显微层析像及光谱的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种生物医学检测的方法和装置，特别涉及到利用光纤共聚焦系统探测组织后向散射信号光，探测器分别接收显微层析像和光谱信息，并通过计算机显示的组织图像和光谱进行癌症的早期诊断。

背景技术

世界卫生组织早在2002年公布的调查报告就显示：全球每年有6,000,000多人死于癌症，出现10,000,000以上新的癌症病例。一个导致癌症高发病率和死亡率的主要原因是现有的医疗检测手段还不能或有效地检测或确诊癌症早期。发展非损伤的、活体的并且实时的检测癌症早期的技术非常必要。共聚焦反射显微成像术可以通过横向二维扫描和纵向一维扫描获取组织内几百微米范围不同断层的信息，重构出具有微米量级分辨率的组织层析图像。随着快速扫描，微细加工和光纤技术的发展，结合共聚焦显微成像技术的新型(光纤)共聚焦显微镜已出现。它能实时，无损伤地获取人体组织内部形态信息。目前，新型(光纤)共聚焦显微镜面临的一个主要问题是：它仅提供组织细胞和细胞核的形态变化信息。但是，癌变组织细胞的形变相对于组织的生物化学成份变化而言是个比较长期的过程。实验证明，正常组织细胞与癌变组织细胞的可见光反射光谱特性有显著区别。癌变组织早期尚未产生显著组织形变时，细胞内就含有丰富的去氧血红蛋白，能够导致反射光谱的显著改变，可以用来对于早期癌变进行诊断。因此，除收集癌变组织的显微形变信息以外，有必要获取生化成份的光谱，根据光谱及时发现组织生化成份的早期变化以便对癌症实施全面而及时的诊断。

发明内容

为了克服现有技术不能同时提供组织内细胞和细胞核的形态变化信息和生化成份的变化信息，本发明提出一种基于光纤共聚焦系统获取组织显微层析像及光谱的方法和装置，能够无损地及时发现组织内部细胞和细胞核的形态变化以及生化成份的变化，为癌症早期检查提供有力的帮助。

为了解决其技术问题，本发明的技术方案是基于光纤共聚焦系统提出一种获取组织显微层析像及光谱的装置，其特点是，它包括：

一白光源，用于提供照明光；

一准直透镜和一耦合透镜，用于调整照明光束和信号光束；

一由单模光纤和探头连接构成的光纤共聚焦系统；

一个分束器，实现光纤共聚焦系统接收到人体组织内光纤端面共轭点上的后向散射信号光和照明光分离；

一个分束器，实现信号光的分离；

一由会聚透镜、针孔和光电倍增管构成的光电倍增管探测器，用于接收总信号光强；

一个由透射光栅或闪耀光栅、会聚透镜及线阵CCD构成的CCD探测器，用于接收透射光栅或闪耀光栅分光后各波段对应的信号光强；

一计算机，用于处理由探测器获取的信号、显示人体组织图信息和光谱信息并发出扫描控制指令。

所述的光纤共聚焦系统的探头包括扫描装置和成像透镜组，所述的扫描装置为由微型光纤扫描器或微机电光束扫描器和气体或液体轴向调焦装置组成的三维扫描器。

基于上述装置实现的获取组织显微层析像及光谱的方法，特点是，步骤为：

1.将白色照明光导入单模光纤和探头构成的光纤共聚焦系统；

2.经光纤共聚焦系统的白光在人体组织内0-250μ的深度上会聚，根据光纤共聚焦显微成像原理，光纤共聚焦系统仅接收组织内光纤端面共轭点上的后向散射信号光；

3.上述由光纤共聚焦系统接收的组织内光纤端面共轭点上的后向散射信号光通过光纤和分束器后分别进入光电倍增管探测器和CCD探测器，光电倍增管接收总信号光强，线阵CCD接收经透射光栅或闪耀光栅分光后各波段对应的信号光强；

4.所述的信号光经光电转换、放大和采集后，输入计算机处理，计算机显示组织的图像和光谱并发出扫描控制指令。

利用图像和光谱检测组织是否发生早期癌变：对比正常组织的细胞和细胞核形态以及生物化学成份的光谱，根据细胞和细胞核的几何形态的变化以及生化成份光谱的变化可以检测组织是否发生早期癌变。

本发明结合了光纤共聚焦后向散射成像技术和光谱检测技术，提出适用于获取组织层析像、光谱的方法和装置，能实时获取活体组织微米数量级的三维形态图像，以及组织内生化成份的光谱信息，根据图像和光谱确定组织内细胞和细胞核的形态变化和生化成份的变化。这就解决了目前技术不能同时获取组织内细胞和细胞核的形态变化以及生化成份的变化的技术问题。

附图说明

图1是本发明的装置示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种获取组织显微层析像及光谱的装置，由图1所示，其特点是，它包括：

一白光源1，用于提供照明光；

一准直透镜2和一耦合透镜4，用于调整照明光束和信号光束，

一由单模光纤5和由扫描装置6和成像透镜组7构成的探头连接构成的光纤共聚焦系统，一扫描装置6置于单模光纤5和探头的成像透镜组7之间；

分束器3和分束器12，实现光纤共聚焦系统接收到人体组织内光纤端面共轭点上的后向散射信号光和照明光分离，以及信号光的分离；

一由会聚透镜13、针孔14和光电倍增管15构成的光电倍增管探测器，用于接收总信号光强；

一个由透射光栅11、会聚透镜10及线阵CCD9构成的CCD探测器，用于接收透射光栅11分光后各波段对应的信号光强；

一计算机8，用于处理由探测器获取的信号、显示人体组织图信息和光谱信息并发出扫描控制指令。

所述的光纤共聚焦系统的探头包括扫描装置6和成像透镜组7，所述的扫描装置为由微型光纤扫描器或微机电光束扫描器和气体或液体轴向调焦装置组成的三维扫描器。

本发明方法实施的具体步骤是：

步骤1：白色照明光导入单模光纤和探头构成的光纤共聚焦系统：在图1中，白光源1发出的照明光经过准直透镜2和耦合透镜4进入光纤共聚焦系统，采用准直透镜2有利于光的耦合和控制，分束器3可以采用薄膜分束器、立方体分束器或平板分束器，使照明光束和信号光束分离。耦合透镜4要保证高的耦合效率，根据单模光纤5数值孔径、几何特征和入射光束直径来设计。例如：单模光纤5数值孔径是0.1，纤芯直径是8微米，入射光束直径是4毫米，则耦合透镜4的入瞳直径是4毫米，数值孔径是0.1，艾利斑的直径在8微米左右，工作在衍射极限范围，消色差，属于无限远共轭距成像系统。同时，在耦合透镜4和单模光纤5之间应该放置匹配液，光纤端面作抛光处理，减小光纤端面的反射。

步骤2：经光纤共聚焦系统的白光在人体组织内0-250μ的深度上会聚，根据光纤共聚焦显微成像原理，光纤共聚焦系统仅接收组织内光纤端面共轭点上的后向散射信号光：

光纤共聚焦系统使照明光在人体组织内作三维扫描并获取扫描点上的后向散射信号光，为了实现会聚光点在样品中的扫描，探头7可以利用以下扫描方案：微型光纤扫描器或微机电光束扫描器结合气体或液体的轴向调焦装置。如果用于体内的检查，还必须根据医用内窥镜的活检通道尺寸来限定探头的外径和长度。探头成像透镜组的设计要满足单模光纤共聚焦成像原理。

在反射式光纤共聚焦系统中，横向分辨率r_t和轴向分辨率r_a可分别表示成

$r_1=\frac{\mathrm{\λ}\sqrt{\mathrm{A\π}}}{2\mathrm{\π}n\sin a}$

$r_a=\frac{2\mathrm{n\λA}}{8\mathrm{\π}{(n\sin a/2)}^2}$

式中n是物空间的折射率，nsina为探头会聚透镜在物空间的有效数值孔径，A是光纤-集光透镜参数，

A＝(2πa₀r₀/λd₁)²其中r₀为光纤模场半径，a₀/d₁为探头集光透镜的有效数值孔径。

步骤2中用所述单模光纤5，则探头7透镜组在光纤端的有效数值孔径设为0.1，在组织端的有效数值孔径根据分辨率要求设计，靠近光纤端是油浸的而靠近组织端是水浸的，消像差。

步骤3：上述由光纤共聚焦系统接收的组织内光纤端面共轭点上的后向散射信号光通过光纤和分束器后分别进入光电倍增管探测器和CCD探测器，光电倍增管接收总信号光强，线阵CCD接收经透射光栅或闪耀光栅分光后各波段对应的信号光强：

这是利用分光技术使两个探测器分别接收总信号光强序列和各波长对应的信号光强序列，分束器3和分束器12将通过单模光纤5传递的后向散射信号光分离，一路经透镜13会聚和针孔14滤波后由光电倍增管15接收，确保光电倍增管15仅接受扫描点处信号光的总强度；另一路经透射光栅11分光后，总信号光强分解成各波长对应的信号光强，这些不同波长对应的光信号由处于透镜10焦平面上的线阵CCD9的不同像素点接收。

步骤4：上述的信号光经光电转换、放大和采集后，输入计算机处理，计算机显示组织的图像和光谱并发出扫描控制指令：

这一步骤包括数据采集、处理和重构，图像和光谱的显示，控制信号的发出。光电倍增管接收的信号经放大、滤波和采集后输入计算机，利用程序重构出组织的三维层析显微图像，可以实时观察组织细胞和细胞核的几何形态；线阵CCD9接收的光谱信号也经放大、滤波和采集后输入计算机8处理后显示或存储，得到组织生化成份的光谱；同时，计算机发出扫描控制指令给探头扫描装置6。

本发明在获取人体组织显微层析像及光谱后，利用图像和光谱来判断人体组织是否发生早期癌变，对比在相同条件下获取的正常组织的细胞和细胞核形态以及生化成份的可见光光谱，通过细胞和细胞核的形态变化以及光谱变化检测组织是否发生早期癌变。

Claims (3)

1、一种获取组织显微层析像及光谱的装置，其特征在于，它包括：

一白光源，用于提供照明光；

一准直透镜和一耦合透镜，用于调整照明光束和信号光束；

一由单模光纤和探头连接构成的光纤共聚焦系统；

一个分束器，实现光纤共聚焦系统接收到的人体组织内光纤端面共轭点上后向散射信号光和照明光分离；

一个分束器，实现信号光的分离；

一由会聚透镜、针孔和光电倍增管构成的光电倍增管探测器，用于接收总信号光强；

一个由透射光栅或闪耀光栅、会聚透镜及线阵CCD构成的CCD探测器，用于接收透射光栅或闪耀光栅分光后各波段对应的信号光强；

一计算机，用于处理由探测器获取的信号、显示人体组织层析图像信息和光谱信息并发出扫描控制指令。

2、根据权利要求1所述的一种获取组织显微层析像及光谱的装置，其特征在于，所述的光纤共聚焦系统的探头包括扫描装置和成像透镜组，所述的扫描装置为由微型光纤扫描器或微机电光束扫描器和气体或液体轴向调焦装置组成的三维扫描器。

3、一种获取组织显微层析像及光谱的方法，其特征在于，方法步骤为：

1)将白色照明光导入单模光纤和探头构成的光纤共聚焦系统；

2)经光纤共聚焦系统的白光在人体组织内0-250μ的深度上会聚，根据光纤共聚焦显微成像原理，光纤共聚焦系统仅接收组织内光纤端面共轭点上的后向散射信号光；

3)上述由光纤共聚焦系统接收的组织内光纤端面共轭点上的后向散射信号光通过光纤和分束器后分别进入光电倍增管探测器和CCD探测器，光电倍增管接收总信号光强，线阵CCD接收经透射光栅或闪耀光栅分光后各波段对应的信号光强；

4)所述的信号光经光电转换、放大和采集后，输入计算机处理，计算机显示组织的图像和光谱并发出扫描控制指令。