面向血液中癌細胞檢測的實時光譜檢測裝置和方法與流程

本發明屬于醫用激光技術領域，具體涉及一種實時的光譜檢測方法和裝置，可用于血液中癌細胞的實時檢測。

背景技術：

隨著生活環境的日益惡化，癌癥已成為人類健康的最大威脅。癌癥本身不可怕，可怕的是癌細胞會通過血液等途徑從原發病灶傳遍全身，形成轉移病灶，讓人防不勝防。如能監測血液中的癌細胞，就有望早日發現轉移病灶，而且也可反映治療的效果。但是血液中的癌細胞比例極低，而且呈現隨機分布的特征，發現它們并非易事，傳統的抽血化驗方式無法應用。

光譜分析方法以其靈敏、快速、準確的檢測特點，在醫學領域得到廣泛應用。癌細胞與正常細胞的熒光光譜差異明顯，可充分利用這一特征來檢測癌細胞。但是與其他細胞(比如紅細胞)相比，癌細胞在血液中出現的幾率很小，在一段觀測時間范圍內可能會偶然出現，也可能不出現。這對光譜儀提出了很高的要求：需要具備實時反應能力，響應速率達到100mhz以上。

然而現有的光譜儀所用探測器均為ccd。ccd拍攝圖像需要一定的曝光時間，是一個時間積分型探測器，這限制了ccd的幀頻率最高僅為幾十khz。如此慢的幀頻率無法實時分辨血液中的癌細胞，對于血液中癌細胞檢測這種需要ghz響應速度的應用場合無法適用，須發明一種實時的光譜檢測技術。

技術實現要素：

本發明針對上述需求，提供了一種實時的光譜檢測方法和裝置。本發明采用單點式的光電倍增管作為探測器，光電倍增管靠二次電子發射原理對信號進行放大，避免了ccd的時間積分效應，因此響應速度非常快，可高達1ghz以上。但是光電倍增管只能測量單點信號，無法滿足光譜測量對于同時多點測量空間一維信號的需求。本發明中，我們構造了“一個轉換接口”：n根光纖的一維陣列對被測信號的一維空間分布進行多點同時取樣，而不同長度的光纖則將“空間并行”數據轉換成“時間串行”數據，并經過光纖集束后，使之能夠與單點式的光電倍增管相匹配，最后通過高速數字示波器記錄。除了響應速度快的優勢以外，我們發明的探測方法靈敏度比傳統ccd探測器高5個數量級以上，有利于對微弱信號的精準分辨與測量。本發明可實現對光譜信號的實時分析，可用于監測血液中的癌細胞分布與含量，有利于癌癥的早期發現與防治。

具體方案如下：

一種實時光譜測量裝置，該實時光譜測量裝置用于血液中癌細胞檢測，包含：

光柵、凹面鏡、光纖陣列、光纖通道、光纖集束、光電倍增管和數字示波器；

所述光柵用于將待測血液光譜信號中按照不同波長發散到不同的空間方向，來自不同空間方向的若干待測血液光譜信號經凹面鏡的凹面反射，以將該若干待測血液光譜信號準直到一個方向并傳輸至光纖陣列，

光纖陣列按照波長的不同將若干待測血液光譜信號耦合到不同的光纖通道中；

不同波長的光譜信號經過不同長度的光纖通道后，依次從光纖集束輸出；

光電倍增管接收光纖集束在不同時間內輸出的時間串行信號，并將輸出的電信號輸入到高速示波器進行數據分析與顯示。

進一步的，所述光纖陣列(7)由玻璃基底(13)、裸光纖進光端(12)和玻璃蓋板(14)構成；

所述玻璃基底(13)設置有一排相鄰的v型槽，在各所述v型槽內均放置有一根裸光纖進光端(12)，放置的裸光纖進光端在玻璃基底內依次緊密排列。

進一步的，所述光纖集束(9)由若干裸光纖出光端(15)和不銹鋼封管(16)構成，若干裸光纖出光端(15)以蜂窩堆疊的方式設置在圓形的不銹鋼封管(16)內。

進一步的，光柵刻線密度為1000線/mm～2000線/mm；

光纖通道的長度從光纖陣列(7)的一端到另一端依次增大，遞增間隔為l，遞增間隔l為1-1.5米；

裸光纖進光端(12)、裸光纖出光端(15)與光纖通道的數量為n，n的選取范圍為100-200。

進一步的，所述光柵(2)中心距離凹面鏡(4)中心的距離與凹面鏡的焦距相同，光纖陣列(7)位于凹面鏡(4)的焦點平面(6)，所述光電倍增管(10)的輸出端與所述數字示波器(11)的輸入端相連。

進一步的，所述光電倍增管響應時間小于1ns，對應響應速度大于1ghz；

所述數字示波器響應速度大于1ghz。

同時本發明還提供了一種實時的光譜測量方法，包含以下步驟：

使用光柵將待測血液光譜信號中按照不同波長發散到不同的空間方向；

凹面鏡將來自不同空間方向的若干待測血液光譜信號予以反射，以將該若干待測血液光譜信號準直到一個方向并傳輸至光纖陣列，

光纖陣列按照波長的不同將若干待測血液光譜信號耦合到不同的光纖通道中；

不同波長的光譜信號經過不同長度的光纖通道后，依次從光纖集束輸出；

光電倍增管接收光纖集束在不同時間內輸出的時間串行信號，并將輸出的電信號輸入到高速示波器進行數據分析與顯示。

進一步的，所述光纖陣列由玻璃基底、裸光纖進光端和玻璃蓋板構成；

所述玻璃基底設置有一排相鄰的v型槽，在各所述v型槽內均放置有一根裸光纖進光端，放置的裸光纖進光端在玻璃基底內依次緊密排列。

進一步的，所述光纖集束由若干裸光纖出光端和不銹鋼封管構成，若干裸光纖出光端以蜂窩堆疊的方式設置在圓形的不銹鋼封管內；

光纖通道的長度從光纖陣列的一端到另一端依次增大，遞增間隔為l，遞增間隔l為1-1.5米；

裸光纖進光端、裸光纖出光端與光纖通道的數量為n，n的選取范圍為100-200。

進一步的，所述光柵中心距離凹面鏡中心的距離與凹面鏡的焦距相同，光纖陣列位于凹面鏡的焦點平面，所述光電倍增管的輸出端與所述數字示波器的輸入端相連。

本發明可以實時地測量光譜，一個主要的應用就是檢測人體血液中的癌細胞，相比傳統光譜儀，本發明可實時檢測癌細胞出現的幾率與含量，對于癌癥的早期診斷、癌癥轉移控制和癌癥治療效果的分析具有重要意義。除此以外，本發明還有望應用于其他需要極快速捕獲光譜的場合。本發明結合了光纖陣列系統的空間分辨能力(類似傳統光譜儀中的ccd探測器)和光電倍增管的實時探測能力，從而能對空間排布的光譜信號成分進行實時探測，它帶來的一個主要優點就是ghz的響應速度(近實時)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明提供的一種實時光譜測量裝置的示意圖；

圖2為光纖陣列的示意圖；

圖3為光纖集束的示意圖；

圖4為本發明與商品化的ccd型光譜儀測量結果的對比圖。

具體實施方式

在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對于本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進行描述。

為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的步驟以及詳細的結構，以便闡釋本發明的技術方案。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。

本發明提供了一種實時光譜測量裝置，參照圖1-3所示，包含：

光柵2、凹面鏡4、光纖陣列7、光纖通道8、光纖集束9、光電倍增管10和數字示波器11；

光柵2用于將待測血液光譜信號中按照不同波長發散到不同的空間方向，來自不同空間方向的若干待測血液光譜信號經凹面鏡4的凹面反射，以將該若干待測血液光譜信號準直到一個方向并傳輸至光纖陣列7，；

光纖陣列7按照波長的不同將若干待測血液光譜信號耦合到不同的光纖通道8中；

不同波長的光譜信號經過不同長度的光纖通道8后，依次從光纖集束9輸出，光纖集束9輸出的不同光譜信號會有一時間差；

光電倍增管10接收光纖集束9在不同時間內輸出的時間串行信號，并將輸出的電信號輸入到高速示波器進行數據分析與顯示。

在本發明一可選的實施例中，參照圖2所示，所述光纖陣列7由玻璃基底、裸光纖進光端12和玻璃蓋板14構成，玻璃蓋板14位于玻璃基底13上；所述玻璃基底13設置有一排相鄰的v型槽，在各所述v型槽內均放置有一根裸光纖進光端12，放置的裸光纖進光端在玻璃基底內依次緊密排列，通過玻璃蓋板14來將v型槽內放置的裸光纖進光端12壓住。

在本發明一可選的實施例中,所述光纖集束9由若干裸光纖出光端15和不銹鋼封管16構成，若干裸光纖出光端15以蜂窩堆疊的方式設置在圓形的不銹鋼封管16內，如圖3所示。

在本發明一可選的實施例中,光柵刻線密度為1000線/mm～2000線/mm，光纖通道8的長度從光纖陣列7的一端到另一端依次增大，遞增間隔為l，遞增間隔l為1-1.5米。進一步可選的，裸光纖進光端12、裸光纖出光端15與光纖通道8的數量為n，n的選取范圍為100-200。

在本發明一可選的實施例中,所述光柵2中心距離凹面鏡4中心的距離與凹面鏡4的焦距相同，光纖陣列7位于凹面鏡4的焦點平面6，所述光電倍增管10的輸出端與所述數字示波器11的輸入端相連。

在本發明一可選的實施例中，所述光電倍增管10響應時間小于1ns，對應響應速度大于1ghz；所述數字示波器11響應速度大于1ghz。

結合圖1所示，本發明方法原理如下：

來自血液的待測光信號首先經過一塊光柵2，由于光柵2具有角色散的功能，因此從光柵2出射的光信號中不同的波長成分沿不同的空間方向傳輸(色散位于xz平面)；再經過一塊凹面鏡4后，由于光柵2位于凹面鏡4的焦點位置，因此從凹面鏡4出射的不同波長的光信號變為準直輸出，但是對于同一波長的信號光束經過凹面鏡4后會聚焦輸出；這樣在凹面鏡4的焦平面位置，不同波長的光焦點沿x方向依次排列；將包含n(n≥100)根光纖通道8的光纖陣列7水平放置在凹面鏡4的焦平面處，同時接收這些不同波長的光信號；由于光纖通道8從光纖陣列7一端到另一端長度依次遞增l，因此經過n根光纖通道8傳輸后，從光纖集束9輸出的光信號變為時間上串行的信號，信號時間間隔為δt＝nl/c(其中n是光纖介質的折射率，c是真空中光速)；這些時間串行的光信號被高速光電倍增管10依次接收，轉換成電脈沖串后輸入數字示波器11進行數據分析與顯示；光電倍增管10和數字示波器11的響應速度均高于1ghz；光纖通道8的遞增長度l的選取取決于光電倍增管10的響應時間(<1ns)，一般取1～1.5m為宜。

本發明提供的實時光譜測量避免了使用最高幀頻率僅為幾十khz的ccd探測器，取而代之的是響應速度高達ghz的光電倍增管，因此可實現傳統ccd型光譜儀無法具備的實時響應能力。本發明可以實時地測量光譜，可用來檢測人體血液中的癌細胞出現的幾率與含量，對于癌癥的早期診斷、癌癥轉移控制和癌癥治療效果的分析具有重要應用價值。

同時本發明還提供了一種實時的光譜測量方法，結合圖1-3所示，本發明包含以下步驟：

使用光柵2將待測血液光譜信號中按照不同波長發散到不同的空間方向；

凹面鏡4將來自不同空間方向的若干待測血液光譜信號予以反射，以將該若干待測血液光譜信號準直到一個方向并傳輸至光纖陣列7，

光纖陣列7按照波長的不同將若干待測血液光譜信號耦合到不同的光纖通道8中；

不同波長的光譜信號經過不同長度的光纖通道8后，依次從光纖集束9輸出；

光電倍增管10接收光纖集束9在不同時間內輸出的時間串行信號，并將輸出的電信號輸入到高速示波器進行數據分析與顯示。

在本發明一可選的實施例中，所述光纖陣列7由玻璃基底、裸光纖進光端和玻璃蓋板構成；

所述玻璃基底設置有一排相鄰的v型槽，在各所述v型槽內均放置有一根裸光纖進光端，放置的裸光纖進光端在玻璃基底內依次緊密排列。

在本發明一可選的實施例中，所述光纖集束9由若干裸光纖出光端和不銹鋼封管構成，若干裸光纖出光端以蜂窩堆疊的方式設置在圓形的不銹鋼封管內；

光纖通道8的長度從光纖陣列7的一端到另一端依次增大，遞增間隔為l，遞增間隔l為1-1.5米；

裸光纖進光端、裸光纖出光端與光纖通道8的數量為n，n的選取范圍為100-200。

在本發明一可選的實施例中,所述光柵2中心距離凹面鏡4中心的距離與凹面鏡4的焦距相同，光纖陣列7位于凹面鏡4的焦點平面，所述光電倍增管10的輸出端與所述數字示波器11的輸入端相連。

本實施例中待測光1進入上述實時光譜測量裝置后，經過光柵2(刻線密度可選1000線/mm～2000線/mm)后變成角發散的光束3，由于光柵2位于凹面鏡4的焦點位置，因此角發散的光束3經過凹面鏡4反射后變成整體準直輸出的光束5，對于光束5中的每個單色光成分，經過凹面鏡4后將會聚焦，焦點位于凹面鏡4的焦點平面6。在凹面鏡4的焦點平面6上，不同光譜成分的焦點依次排列，形成分辨率極高的空間啁啾分布。光纖陣列7即位于凹面鏡4的焦點平面6的位置，對不同波長的光譜成分進行收集。不同波長的光譜成分沿著不同的光纖通道8傳輸，由于光纖通道8的長度依次遞增，因此從光纖集束9輸出的信號將時間上依次輸出，時間間隔為δt＝nl/c，其中n為光纖的折射率，c為真空中光速。從光纖集束9輸出的時間串行電信號被光電倍增管10接收，光電倍增管10輸出的電信號輸入到高速數字示波器11進行數據分析與顯示。

下面是一個應用實施例：

在本發實施例中，我們利用本發明實時光譜測量裝置來測量商用鈦寶石再生放大激光器(spitfire，coherent)輸出的光譜，并與商品化的ccd型光譜儀(hr2000+，oceanoptics)測量結果對比，以檢驗本發明的可靠性。測量結果見圖4所示，圖中黑色實線為hr2000+光譜儀的測量結果，黑色散點為本發明的測量結果(每個點對應示波器上的一個信號峰，不同的信號峰來源于不同的光纖通道8)。本發明測量的結果與hr2000+的測量結果高度吻合，表明了本發明的可靠性。本實施例中所用光源是個穩定輸出的系統，不具備偶然事件，因此本發明與hr2000+的測量結果高度一致。但是對于存在偶然事件光信號而言(比如來源于血液的熒光信號或成像信號)，本發明將具備實時分辨能力，而hr2000+無法分辨。

以上對本發明的較佳實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，其中未盡詳細描述的設備和結構應該理解為用本領域中的普通方式予以實施；任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例，這并不影響本發明的實質內容。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。