基于量子超弦引擎的中晚期癌症成像检测系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于量子超弦引擎的中晚期癌症成像检测系统及方法，主要解决传统医学设备无法高效、安全、快速、全面的检测出癌症患者癌细胞扩散区域的不足。其系统包括量子光发射源、分光器、凸透镜、滤光器组、检测单元、图像处理单元和显示器。量子光发射源产生的正交极化光子经过分光器后，分成两路传播；一路通过凸透镜和滤光器照射在患者身上，穿过人体后被探测器所接收；另一路直接经过滤光器，被另一探测器接收。检测单元对两个探测器所探测到的光子进行联合测量，并将探测结果输出至图像处理单元，绘制成患者体内癌细胞的扩散区域成像图在显示器显示。本发明能获得癌细胞的扩散区域成像图，为癌症患者的治疗及研究提供依据。

说明书

技术领域

本发明属于电子设备技术领域，特别涉及一种医学成像检测设备，可用于检测中晚期癌症患者体内癌细胞的扩散区域，对癌变区域定位成像。通过信息采集、光学计算、图像处理等步骤，实现成像系统对患者患癌部位的癌细胞定位显示。为癌症的诊断、治疗和科学研究提供可视化检测手段和依据。

背景技术

癌症作为全世界人类的最大致死原因，其增长速度日益加快，严重危害人类的生命健康，也是世界医学难题。美国癌症协会的年度统计数据报告显示，2015年，美国新增癌症病例约166万人，死亡60万人；世界卫生组织的统计数据显示，2014年全球新增癌症病例约1410万人，死亡人数达到820万人。世界卫生组织预计，由于全球人口的增长和人口老龄化，以及生活方式、饮食结构和环境变化等因素，到2025年，世界每年新增癌症病例数将达到1930万人，每年死亡病例将超过1000万。

统计数据表明，我国近几年平均每年新增癌症病例约350万人，死亡200万人，癌症发病率已经处于世界首位，约占全球癌症死亡人数的四分之一，即我国每分钟有6-7人被诊断为癌症，而每分钟死于癌症的多达5人。

迄今为止，医生和科研人员只能使用常规的仪器和检查方式来检查癌症，如X射线检查、CT检查、磁共振MRI检查。而癌症的种类多达一百多种，一个自认为健康的人，绝对不可能去将每种检查都做一次，这些检查不仅价格不菲，而且临床中所采用的X线检查、计算机断层扫描CT检查，本身就是强辐射，会诱发细胞癌变，具有一定的危害。因此，我们经常会看到，即使是每年定期体检的人，也会突然查出患癌，并且一经发现就是中晚期，给患者本人、家庭和社会带来了巨大的精神痛苦和经济负担。

因此研究一种高效、安全、快速、全面的癌症检测手段迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有医学检测设备的不足，提出一种基于量子超弦引擎的中晚期癌症成像检测方法及系统，以通过对患者体内荧光蛋白的测试，定位、定性分析获得患者当前癌细胞的扩散区域，并进行成像显示，为癌症患者的治疗及研究提供依据。

本发明的技术方案如下：

一.检测原理

现代医学研究表明，不同颜色的荧光蛋白可以标记活体内的不同组织，如神经系统，癌变组织等等。量子雷达的成功研发证明了荧光量子成像的可实现性，表明量子理论在成像上有明显优势。荧光量子成像原理可被应用于体内癌细胞的荧光成像。

本发明由量子光发射源发出纠缠光子对，获得正交极化光子对。正交极化光子对被分光器分光后，以不同路径传播。其中探测癌细胞的极化光子通过透镜和滤光器照射在患者身体上，若患者体内照射位置有癌细胞，则荧光蛋白与癌细胞产生反应，发出荧光，极化光子穿过人体后被探测器所接收；另一极化光子直接经过滤光器，被另一探测器接收。联合探测装置对两个探测器所探测到的光子进行联合测量，并将探测结果输出至数据处理模块，把荧光辐射场、人体组织辐射场和量子探测光辐射场看成整个成像辐射场体系，通过探测光子纠缠对与周围辐射场的作用变化，继而分析辐射场分布的强度，来得到荧光分布的图像。利用成像算法，对荧光分布的图像重建，进而对患者体内癌细胞的扩散区域进行定位、定量分析，并在显示器成像显示信息。

二.根据上述原理，本发明提出的基于量子超弦引擎的中晚期癌症成像检测系统包括：

量子光发射源：用于产生纠缠光子对，从而获得正交极化的光子，输出给分光器；

分光器：用于改变光路，使正交极化的光子沿垂直的两路方向传播；

滑行面：用于移动分光器的位置，调整检测点；

凸透镜：用于汇聚穿过分光器后的光子，使光子沿光路照射到患者身上；

滤光器组：用于对各种色光起调节作用并且消除光线在患者表面所形成的闪耀反光；

测试床单元：用于承载患者，并通过调节测试床的位置使透镜输出的光能对患者进行全身照射扫描；

检测单元：用于对患者照射扫描后产生的光子信号进行接收并检测，并将该光子信号转换成数字信号后输送给图像处理单元；

图像处理单元：用于对检测单元输出的数字信号进行处理，以获得荧光辐射场强度，输出给成像显示器，并建立患者体内癌细胞的扩散区域的信息图库；

显示器：用于对癌症患者体内的荧光蛋白进行成像显示，以及查看数据库文件。

三.利用本发明系统进行中晚期癌症检测的方法，包括如下步骤：

1)将正常人体置于测试床上，测试床位于测试舱内；将滑行面置于测试舱顶部，并与分光器连接以控制分光器的位置，从而控制检测点的位置；量子光发射源发出的光经过光路传播照射到人体后，输入到检测单元，再经过图像处理单元，得到正常人体的辐射场分布数据；

2)利用步骤1的测试结果，建立正常人体的辐射场强分布的矩阵数据库；

3)以人体的正视图为基准，横向为X轴，纵向为Y轴，建立二维坐标系；

4)癌症患者躺在测试床上注入荧光蛋白后，接受照射扫描，通过调节测试床的位置使输出的光能对患者进行全身照射扫描；

5)用泵浦激光器照射偏硼酸钡晶体，将光子对正交极化为：e光和o光；

6)利用分光器将光源器件产生的光子对分为两路，分别为参考光路和信号光路；

7)用信号光路的极化光子通过滤波器和透镜对患者进行照射扫描，随后透射过人体被电子倍增耦合EMCCD探测器所接收；用参考光路的极化光子通过滤波器后被光探测器所接收；

8)对两路光信号进行联合测量，将检测到的光子信号转变为模拟电信号，再经过放大、模数转换变为数字信号；

9)使用小波包阈值消噪方法对数字信号进行去噪处理，并通过光谱仪输出荧光光谱图；

10)由荧光光谱图得到癌症患者的癌细胞扩散区域成像图：

10a)荧光光子经生物组织传输后，其量子损伤传输概率为：

P_ω＝1-2|min(λ，ω)|²(1-B)(1-P_λ)

其中：B是阻塞率，p_λ为经典信道系统误码率，λ，ω为量子纠缠信道系数。

10b)根据量子损伤传输概率，结合测得变化后的人体辐射场分布，建立荧光辐射场的检测矩阵H；

10c)将检测矩阵H与正常人体辐射场强分布矩阵数据库进行对比，实现对荧光辐射场的定性、定量分析：如果检测矩阵H中的数据与数据库中的数据有差异，则说明对应检测点存在荧光蛋白，即存在癌细胞，将癌细胞的分布绘制在人体的二维立体坐标中，即得到患者的癌细胞扩散区域成像图。

11)将患者的癌细胞扩散区域成像图储存在计算机数据库中，以便与治疗后的成像图进行对比，来评价治疗效果。

本发明与现有癌症检测系统相比，具有以下优点：

1.本发明根据荧光蛋白对癌细胞的标记关系确定患者体内癌细胞的扩散区域的位置，所以定位更加准确；

2.本发明基于二维立体坐标，绘制的癌细胞扩散区域成像图更加直观；

3.本发明采用荧光量子成像技术进行实时检测，短时间内即可提供癌细胞扩散区域的信息，为患者的临床治疗争取了宝贵时间；

4.本发明是无创检测，检测过程仅是对患者进行光学扫描，不会对患者造成新的创伤；

5.本发明不仅仅局限于对癌症的检测，在获取其它物质光谱的条件下，还可用于其它疾病的临床检测，具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明系统的结构原理框图；

图3是本发明系统中的光路框图；

图4是本发明检测方法的实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1和图2，构成本发明系统的部件包括：测试舱、测试床单元、光谱分析仪、图像处理器及显示器。其中测试舱中包括量子光发射源1，分光器2，滑行面3，凸透镜4，滤波器组5，检测单元7。量子光发射源1位于测试舱顶部中心，用于发出正交极化的光子对；将滑行面3置于测试舱顶部，并与分光器2连接以控制分光器的位置，从而控制检测点的位置；分光器2改变光路，使正交极化的光子沿垂直的两路方向传播；凸透镜4位于分光器下方，用于汇聚穿过分光器后的光子，使光子沿光路照射到患者身上；滤波器组5中的第一滤光器51位于凸透镜下方，用于消除光线在患者表面所形成的闪耀反光；滤波器组5中的第二滤光器52与分光器处于同一水平位置上，用于对各种色光起调节作用；检测单元7用于对患者照射扫描后产生的光子信号进行接收并检测。

所述量子光发射源1，由电源11、激光泵浦12、偏硼酸钡晶体13、棱镜14、控制电路15、反馈电路16组成；

所述的滤光器组5由第一滤光器51、第二滤光器52组成；

所述测试床单元6，由电机控制器61、步进电机62、测试床63组成；

所述检测单元7，由光探测器71、EMCCD探测器72、探测控制器73、光电转换器74、放大电路75、A/D转换电路76组成；

所述图像处理单元8，由数据处理器81和光谱分析仪82组成。

量子光发射源1中的电源11为激光泵浦12提供能量，激光泵浦12同时输出光信号和电信号，该光信号先经过偏硼酸钡晶体13，再通过棱镜14汇聚后，获得一对正交极化的光子；该电信号通过反馈电路16输送至控制电路15，控制电路15对电源输出电压进行控制。

滑行面3与分光器2相连，用于调整检测点的位置；分光器2改变光路，使正交极化的光子沿垂直的两路方向传播，信号光路上的光子通过凸透镜4，再通过第一滤波器51照射至测试床63上的患者身上，电机控制器61对步进电机62进行控制，从而控制测试床的位置，使光能对测试床63上的患者进行全身照射扫描；而另一路参考光路上的光子通过第二滤波器52被光检测器71所接收。

量子光发射源1，分光器2，凸透镜4，第一滤光器51，第二滤光器52，光探测器71，EMCCD探测器72构成一个光路系统，如图3所示。

检测单元7中的光探测器71用于对参考光路的光子信号进行探测，EMCCD探测器72，用于对信号光路的光子信号进行检测，探测控制器73用于对EMCCD探测器进行控制，光电转换器74将参考光路和信号光路联合测量检测到的光子信号变为模拟电信号，该模拟电信号依次经放大电路75和A/D转换电路76，输出放大的数字信号给图像处理单元。

图像处理单元8中的数据处理器81用于将得到的数字信号进行去噪后输出给光谱仪82，光谱仪82包括荧光光谱图数据库和荧光光谱分析模块，荧光光谱图数据库，用于存储荧光光谱图；荧光光谱分析模块，用于对荧光光谱图进行分析，通过计算荧光光谱图中的辐射场强度，再将该辐射场强度与正常人体辐射场强分布进行对比，并对患者体内癌细胞的扩散区域进行定位、定量分析，绘制成癌症患者的癌细胞扩散区域成像图。

参照图4，利用上述系统进行癌症患者成像检测的方法，其实现步骤如下：

步骤1，得到正常人体的辐射场分布数据。

(1.1)将正常人体置于测试床上，测试床位于测试舱内；将滑行面置于测试舱顶部，并与分光器连接以控制分光器的位置，从而控制检测点的位置；

(1.2)量子光发射源发出的光经过光路传播照射到人体后，输入到检测单元，再经过图像处理单元，得到正常人体的辐射场数据；

(1.3)通过调整检测点的位置，使量子光发射源发出的光能对人体进行全身照射扫描,从而得到正常人体全身各点的辐射场数据。

步骤2，利用步骤1的测试结果，建立正常人体的辐射场强分布的矩阵数据库。

步骤3，以人体的正视图为基准，横向为X轴，纵向为Y轴，建立二维坐标系。

步骤4，癌症患者躺在测试床上注入荧光蛋白后，接受照射扫描，通过调节测试床的位置使输出的光能对患者进行全身照射扫描。

本发明是基于荧光蛋白对癌细胞的标记作用来进行患癌变组织的成像检测，所以检测前应向患者注入对应的荧光蛋白。

步骤5，利用量子光发射源器件产生纠缠光子对，采用泵浦激光器照射偏硼酸钡晶体。

(5.1)电源对激光泵浦器件提供能量，泵浦激光器件输出的电压信号通过反馈电路输送至控制电路；

(5.2)控制电路对电源输出电压进行控制，使电源电压达到稳定；

(5.3)稳定的电压使量子光发射源器件产生正交极化光子对，使光子对正交极化为：e光和o光。

步骤6，将正交极化的光子对分为垂直的两路。

(6.1)利用分光器将量子光发射源产生的光子对分为两路，分别为参考光路和信号光路。

(6.2)参考光路和信号光路相互垂直，即得到传播方向垂直的两路极化光子。

步骤7，信号光路的和参考光路的极化光子通过各自光路，分别输出至所对应的探测器上。

(7.1)信号光路的极化光子通过滤波器和凸透镜，沿光路照射至测试床特定位置；

(7.2)将患者放置在测试床上，电机控制器调整步进电机，从而控制测试床的位置，使输出的光能对患者进行全身照射扫描；

(7.3)信号光子对患者进行照射扫描，穿过人体透射出来，被EMCCD探测器所接收。

(7.4)参考光路的光子通过滤波器后沿光路被光探测器所接收。

步骤8，对两路光子信号进行联合测量，将检测到的光子信号转变为模拟电信号，再经过放大、模数转换变为数字信号。

(8.1)利用联合检测器对两路光子进行联合检测，得到光谱信号；

(8.2)采用光电转换电路将检测光谱信号变为模拟电信号；

(8.3)采用放大电路将模拟电信号进行放大；

(8.4)采用A/D转换电路将放大后的模拟电信号进行模数转换，变为数字信号。

步骤9，使用小波包阈值消噪方法对数字信号进行去噪处理，并通过光谱仪输出荧光光谱图；

(9.1a)选择小波包的最大分解尺度J，对数字信号进行J层小波包分解，得到完整的二叉树；

(9.1b)从第J层开始，当两个子结点的香农熵之和小于父结点的香农熵时，将这两个子结点合并，最终得到的小波包分解树的小波包分解系数c_i；

(9.1c)根据噪声方差σ和小波包分解系数c_i相应层的数据点数M计算表阈值：

(9.1d)使用阈值τ对小波包分解系数c_i进行消噪处理，得到新的小波包分解系数：

${c_i}^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}{c}_i& \left|c_i\right|>\tau \\ 0& \left|c_i\right|\le \tau \end{array}\right);$

(9.1e)用新的小波包分解系数c_i'进行小波包重构，获得去噪后的数字信号；

(9.2)将去噪后的数字信号输送至光谱分析仪进行分析，输出荧光光谱图；

(9.3)将该荧光光谱图输出至荧光光谱图数据库和荧光光谱分析模块进行存储和分析。

步骤10，由荧光光谱图得到癌症患者的癌细胞扩散区域成像图。

(10.1)荧光光子经生物组织传输后，其量子损伤传输概率为：

P_ω＝1-2|min(λ，ω)|²(1-B)(1-Ρ_λ)，

其中：B是阻塞率，Ρ_λ为经典信道系统误码率，λ为量子纠缠信道系数，ω为经典量子纠缠信道系数；

(10.2)考虑量子损伤传输概率，结合测得变化后的人体辐射场分布，建立荧光辐射场的检测矩阵H：

(10.2a)当探测到人体有部位发出荧光时，系统探测到初始纠缠态的概率为P₀，探测到噪声光子P₁^e的概率为(1-P₀)，探测光子将被热化，成像光子量子态可用原始态来表示：

P₂^e＝(1-η)P₁^e+P₀P^e

其中：0<η<1,表示光子的生存系数；P^e为纠缠态密度矩阵；P^e＝|ψ〉^(e)(e)〈Ψ||Ψ>^(e)代表一个双光子系统；

(10.2b)由成像光子量子态得出对应量子数的能量为：

$H_{n,\beta }={E_n}^0+\frac{{\mathrm{\mu c}}^2}{2}{\left(\frac{\alpha z}{n}\right)}^4\frac{n}{(2\beta +1)(\beta +1)}$

其中：n,β为不同光量子态所对应的量子数；E_n⁰为的本征值；μ是磁导率；c为真空中光速；z为成像谐振子的能量；α为量子光谱成像的精细结构常数；其中：e_s是电子的电荷，为约化普朗克常数。

10b3)由不同的量子数，构造检测矩阵

(10.3)将检测矩阵H与正常人体辐射场强分布矩阵数据库进行对比，实现对荧光辐射场的定性、定量分析；

如果检测矩阵H中的数据与数据库中的数据有差异，则说明对应检测点存在荧光蛋白，即存在癌细胞；

若检测矩阵H中的数据与数据库中的数据没有差异或差异很小，则说明对应检测点不存在荧光蛋白，即不存在癌细胞；

(10.4)将癌细胞的分布绘制在人体的二维立体坐标中，即得到患者的癌细胞扩散区域成像图。

步骤11，将患者的癌细胞扩散区域成像图储存在计算机数据库中，以便与治疗后的成像图进行对比，来评价治疗效果。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。