用于癌症早期筛查的内窥拉曼光谱检测系统

摘要

本发明公开了一种用于癌症早期筛查的内窥拉曼光谱检测系统，包括：内窥镜；光源模块，其用于提供照明光和拉曼激光；通道模块，其包括供所述内窥镜本体通过的活检通道和设置有光源光纤、收集光纤的光路通道；分光模块、白光相机、拉曼光谱仪以及计算机。本发明中照明光源和拉曼激光器发出的光合束在同一个光源光纤中，通过一个通道进入，可以保证拉曼检测点与观察点一致，从而提高检测的准确性；本发明通过设置遮光板来控制拉曼激光光路的通断可以避免拉曼激发光一直照射人体组织，对人体组织造成损伤；本发明可以实现快速实时的对人体组织的健康情况进行检查，并可以实时的为手术提供准确的人体组织信息，提高手术的成功率。

说明书

技术领域

本发明涉及拉曼光谱检测领域，特别涉及一种用于癌症早期筛查的内窥拉曼光谱检测系统。

背景技术

癌症是当前威胁人类健康的第一大杀手，据全国癌症统计报告显示，癌症导致的死亡位居我国居民死亡原因第一位。而癌症的治愈率与癌症发现的阶段密切相关，癌症在早期被发现，其治愈率会得到极大的提高。

纤维内窥镜是在临床广泛应用的一种医疗器械，可以无损快速的进入人体腔道或手术切口，确定体腔内的病变位置。但是早期癌症的病变形态不明显，难以直接观察到，在临床诊断上存在困难。拉曼光谱是一种非弹性散射光谱，可以通过对分子特有的振动光谱进行检测从而区分不同的物质结构。并且由于生物组织中水的拉曼散射信号极弱，对检测的干扰小，拉曼光谱可以准确的对蛋白质、氨基酸、脂类、核酸、糖原等成分的含量和分布进行识别分析，从而快速、无损、原位、准确的实现对癌症的早期诊断。

目前常用的纤维内窥镜由了照明光源通道、图像传输通道、活检通道这三个管道和数根内窥镜控制线构成。现有的将内窥镜与拉曼光谱相结合的设备和方法，是在内窥镜中集成照明光源通道、图像传输通道和拉曼光谱检测通道，实现对腔内组织的拉曼检测。但是受限于内窥镜管道宽度限制，无法同时放入活检通道，从而无法对病变组织进行切除。

内窥镜与拉曼光谱相结合的另一种方法是拉曼检测和活检共用同一个通道，在拉曼检测到病变组织后，更换活检装置进行手术切除。但是这种方法无法实时的对检测到的病变组织进行切除，更换设备后，切除病变组织的位置相比拉曼检测的位置更易发生偏移，无法保证病变组织边缘切除的精确性。

另外，现有的方法中，照明光源通道与拉曼检测通道是各自独立的两个通道，这容易导致白光和拉曼激光无法同时聚焦到同一个平面上，使得白光成像模糊或者拉曼检测信号变弱或检测到组织更深处的信号而不是目标组织信号。

因此找寻一种方法，使得拉曼检测通道与活检通道并存，可以在观察到病变组织的同时进行手术切除；并且能够使照明光源的观察点和拉曼检测点一致且聚焦在同一个水平面上，保证手术的精确性和准确性，就成了需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于癌症早期筛查的内窥拉曼光谱检测系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于癌症早期筛查的内窥拉曼光谱检测系统，包括：

内窥镜，其包括内窥镜本体和用于控制所述内窥镜本体的操作端；

光源模块，其用于提供照明光和拉曼激光；

通道模块，其包括供所述内窥镜本体通过的活检通道和设置有光源光纤、收集光纤的光路通道；

分光模块，其将入射光依据波长分为第一波束和第二波束；

白光相机，其用于对第二波束进行成像；

拉曼光谱仪，其用于接收第一波束以获得拉曼光谱数据；

以及计算机；

所述光源模块发出的照明光和拉曼激光经所述光源光纤传输至目标组织，目标组织反射的照明光以及产生的拉曼光由所述收集光纤收集并入射至所述分光模块，分为大于拉曼激发光波长的第一波束和不大于拉曼激发光波长的第二波束；其中，第二波束入射到所述白光相机进行成像，并在所述计算机中显示白光图像，第一波束入射到所述拉曼光谱仪得到拉曼光谱数据并传输至所述计算机。

优选的是，所述光源模块包括三色LED光源、滤光片轮、照明光纤、拉曼激光器以及拉曼光纤，所述三色LED光源发出605nm、540nm、415nm三种波长的混合白光，所述滤光片轮具有呈环形均匀间隔设置的只能通过540nm波长的窄带绿光的第一窄带滤光片、只能通过415nm波长的窄带蓝光的第二窄带滤光片以及能通过605nm、540nm、415nm三种波长的混合白光的空圆孔。

优选的是，所述第一窄带滤光片、第二窄带滤光片和空圆孔的大小完全相同。

优选的是，所述滤光片轮通过电机控制进行转动，实现将所述三色LED光源发出的入射光周期性的分为415nm波长的窄带蓝光、540nm波长的窄带绿光和混合白光这三种出射光，所述照明光纤将该出射光导入所述光源光纤；

所述拉曼光纤将所述拉曼激光器发出的拉曼激光导入所述光源光纤。

优选的是，所述拉曼激光器为功率可调的633nm的单频激光器。

优选的是，还包括设置在所述拉曼激光器和拉曼光纤之间的遮光板。

优选的是，所述光源光纤设置在所述光路通道的中部，所述收集光纤包括均匀间隔设置在所述光源光纤外周的若干条。

优选的是，所述拉曼激光器为功率可调的633nm的单频激光器。

优选的是，还包括设置在所述拉曼激光器和拉曼光纤之间的遮光板。

优选的是，所述滤光片轮的转速为3000r/min。

优选的是，所述分光模块包括边带滤光片，入射光中波长大于633nm的光透过所述边带滤光片形成第一波束进入到所述拉曼光谱仪，入射光中波长不大于633nm的光被所述边带滤光片反射形成第二波束进入到所述白光相机。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用三色LED光源作为照明光源，发出光的波长为605nm、540nm、415nm，而拉曼激发光波长为633nm，两者之间不会互相产生干扰，保证了NBI技术的实现和拉曼光谱的检测；并使这二者可以同时进行，在用白光图像观察组织的同时，还可以对组织进行拉曼检测；并且633nm波长较长，相对其他波长较短的拉曼激发光(例如488nm蓝光、532nm绿光)，对人体组织的伤害更小，更适合对人体组织进行拉曼检测。

2、本发明通过设置通过遮光板来控制拉曼激光光路的通断，当进行白光成像观察时，遮光板闭合，此时只有照明光源照射人体组织；当观察到疑似病变组织时，再打开遮光板，拉曼激发光照射到人体组织；这样可以避免拉曼激发光一直照射人体组织，对人体组织造成损伤。

3、本发明中照明光源和拉曼激光器发出的光合束在同一个光源光纤中，通过一个通道进入，可以保证拉曼检测点与观察点一致，从而提高检测的准确性；能够克服现有技术中由于照明光源和拉曼光源是通过两个通道进入人体体腔内进行检测存在的白光和拉曼激光在聚焦深度上会有偏差，不易聚焦到同一个平面上，使得白光成像模糊或者拉曼检测信号变弱或检测到组织更深处的信号而不是目标组织信号的缺陷。

4、本发明采用收集光纤同时收集照明光信号和拉曼散射光信号，可以减少通道数量，缩小通道模块的导管的直径；并且多根收集光纤均匀分布在光源光纤四周，可以增加收集到的光信号的强度，同时也能完整、均匀的收集到激发点的光信号，提高收集信号的质量。

5、本发明通过计算机采用机器学习等人工智能算法自动的对采集的拉曼光谱进行辨别，以区分正常组织和癌变组织，并实时显示在白光图像上。通过这种方式，可以实现快速实时的对人体组织的健康情况进行检查，并可以实时的为手术提供准确的人体组织信息，提高手术的成功率。

附图说明

图1为本发明的用于癌症早期筛查的内窥拉曼光谱检测系统的结构示意图；

图2为本发明的光源模块的结构示意图；

图3为本发明的通道模块的结构示意图。

附图标记说明：

1—内窥镜；2—光源模块；3—通道模块；4—分光模块；5—白光相机；6—拉曼光谱仪；7—计算机；21—三色LED光源；22—滤光片轮；23—照明光纤；24—拉曼激光器；25—遮光板；26—拉曼光纤；31—活检通道；32—光路通道；33—光源光纤；34—收集光纤；41—边带滤光片；221—第一窄带滤光片；222—第二窄带滤光片；223—空圆孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

如图1-3所示，本实施例的一种用于癌症早期筛查的内窥拉曼光谱检测系统，包括：

内窥镜1，其包括内窥镜本体和用于控制内窥镜本体的操作端，通过操作端控制内窥镜1的移动和活检操作；

光源模块2，其用于提供照明光和拉曼激光；

通道模块3，其包括供内窥镜本体通过的活检通道31和设置有光源光纤33、收集光纤34的光路通道32；

分光模块4，其将入射光依据波长分为第一波束和第二波束；

白光相机5，其用于对第二波束进行成像；

拉曼光谱仪6，其用于接收第一波束以获得拉曼光谱数据；

以及计算机7；

光源模块2发出的照明光和拉曼激光经光源光纤33传输至目标组织，目标组织反射的照明光以及产生的拉曼光由收集光纤34收集并入射至分光模块4，分为大于拉曼激发光波长的第一波束和不大于拉曼激发光波长的第二波束；其中，第二波束入射到白光相机5进行成像，并在计算机7中显示白光图像，第一波束入射到拉曼光谱仪6得到拉曼光谱数据并传输至计算机7。

参照图2，在本实施例中，光源模块2包括三色LED光源21、滤光片轮22、照明光纤23、拉曼激光器24以及拉曼光纤26，三色LED光源21发出605nm、540nm、415nm三种波长的混合白光，滤光片轮22具有呈环形均匀间隔设置的只能通过540nm波长的窄带绿光的第一窄带滤光片221、只能通过415nm波长的窄带蓝光的第二窄带滤光片222以及能通过605nm、540nm、415nm三种波长的混合白光的空圆孔223。且第一窄带滤光片221、第二窄带滤光片222和空圆孔223的大小完全相同。其中，滤光片轮22通过电机控制进行转动，实现将三色LED光源21发出的入射光周期性的分为415nm波长的窄带蓝光、540nm波长的窄带绿光和混合白光这三种出射光，照明光纤23将该出射光导入光源光纤33；拉曼光纤26将拉曼激光器24发出的拉曼激光导入光源光纤33。

在一种优选的实施例中，滤光片轮22的转速为3000r/min。

在一种优选的实施例中，拉曼激光器24为功率可调的633nm的单频激光器。

在一种优选的实施例中，还包括设置在拉曼激光器24和拉曼光纤26之间的遮光板25，通过遮光板25来控制拉曼激光光路的通断。由于拉曼激光器24发出稳定的激光需要一定的时间，所以在工作时，拉曼激光器24保持常开，而通过遮光板25来控制拉曼激光光路的通断，可以避免拉曼激发光一直照射人体组织，对人体组织造成损伤。

参照图3，在一种优选的实施例中，通道模块3为一根集成导管，导管中设置有活检通道31和光路通道32，光路通道32中设置光源光纤33和收集光纤34。进一步优选的实施例中，光源光纤33设置在光路通道32的中部，收集光纤34包括均匀间隔设置在光源光纤33外周的若干条。采用多条收集光纤34均匀分布的方式可以均匀、完整的收集到观察点的白光信号和拉曼信号。

在一种优选的实施例中，分光模块4包括边带滤光片41，波长大于设定值的光透过此滤光片，波长小于设定值的光被此滤光片反射。本实施例中，入射光中波长大于633nm的光透过边带滤光片41形成第一波束进入到拉曼光谱仪6，入射光中波长不大于633nm的光被边带滤光片41反射形成第二波束进入到白光相机5进行成像，并通过计算机7显示白光图像。

第二波束中含有周期性的415nm波长的窄带蓝光、540nm波长的窄带绿光、混合白光三种不同的光，在计算机7中，对不同种类的光分别进行处理显示。由于粘膜与血管对绿(540nm)、蓝(415nm)光的吸收特性，会使得血管显示得更加清晰，从而实现NBI(NarrowBand Imaging)窄带成像，能够提高了图像的对比度，在组织的白光图像中显示出更多的血管分布细节，反应病变组织局部供血状况。

拉曼光谱仪6为常规产品，其中包含CCD探测器和光栅等器件。第一波束经过光谱仪的分光后，由CCD探测器进行采集，并将拉曼光谱信号传输进入计算机7中，计算机7再对采集到的拉曼光谱进行判别，分辨所检测的组织是正常组织还是癌变组织，并在白光图像中进行标识显示。其中，可预先在计算机7中建有相关拉曼数据库，包括常见组织的正常拉曼光谱和癌变拉曼光谱，通过机器学习等人工智能算法，自动将采集得到的拉曼光谱数据和数据库中对应组织的数据进行比对，从而辨别目前检测的组织是正常组织还是癌变组织。

实施例2

本实施例中以胃镜为例对本发明的工作原理进行详细说明。

检测时，将导管状的通道模块3导入人体胃内，内窥镜本体设置于活检通道31中，内窥镜本体的镜头对准所需要检测的胃粘膜组织。光源模块2中的三色LED光源21为检测提供照明光，三色LED光源21发出的光经由照明光纤23传输，与拉曼光纤26合束后由光源光纤33导入待检测的胃粘膜组织处，其中滤光片轮22转速为3000r/min，即照明光为周期20ms的415nm波长的窄带蓝光、540nm波长的窄带绿光和混合白光。收集光纤34采集待检测组织的反射光，经由分光模块4进入白光相机5中，白光相机5将成像数据传到计算机7中，计算机7通过对这三种周期为20ms的光源下采集到的信号，根据光源种类分别进行处理成像，通过NBI技术，在计算机7屏幕上显示出对比度高、拥有更多细节的胃粘膜组织白光图像。

当医生在白光图像中观察到形态可疑的组织后，对其进行拉曼检测。此时，打开遮光板25(拉曼激光器24预先开启以保持稳定输出)，拉曼激光器24发出的633nm波长激光，经过拉曼光纤26传输，与照明光纤23合束后由光源光纤33进入人体体腔内，对待检测的胃粘膜组织进行测量；胃粘膜组织产生的拉曼散射光由收集光纤34采集后，经由分光模块4进入拉曼光谱仪6中，拉曼光谱仪6将分光处理采集后的拉曼光谱数据传输到计算机7中。计算机7接收到当前的拉曼光谱数据后，采用主成分分析-线性判别分析(PCA-LDA)、主成分分析-支持向量机(PCA-SVM)等机器学习算法，自动将拉曼光谱与数据库中的胃粘膜组织的正常细胞和癌变细胞的拉曼光谱数据进行比对分析，最终得到一个辨别结果，并实时的在白光图像中对应的检测部位显示出来，指导医生进行下一步操作。

如果显示结果为正常胃粘膜组织，则关闭遮光板25，继续观察找寻其他可能癌变的部位。如果显示结果为癌变胃粘膜组织，则医生将相关的医疗器械经由活检通道31，对癌变组织进行取样或切除等手术。在手术过程中，可以实时检测目前观察胃粘膜组织是否为癌变组织，从而实现对癌变组织边缘的精确切除。

现有技术中，由于通道数量过多，会导致照明光源通道、图像传输通道、拉曼光谱检测通道和活检通道31这四个通道，无法同时通过通道模块3进入人体体腔内。目前内窥镜1与拉曼检测相结合的技术中，一种是只包括照明光源通道、图像传输通道、拉曼光谱检测通道这三个通道，可以实现对白光图像观察点的实时检测。但是由于缺乏活检通道31，所以失去了内窥镜1技术可以无损快速的切除病变组织这一重要优势。另一种是拉曼光谱检测通道和活检通道31共用同一个通道，完成拉曼检测后，将拉曼光谱检测通道抽出换为活检通道31进行活检操作，但是无法实时的对检测到的病变组织进行切除。并且更换设备后，切除病变组织的位置易发生偏移，无法保证病变组织边缘切除的精确性。而将照明光源和拉曼激光光源这二者合束在一个光源光纤33中，通过一个通道进入，可以对人体组织进行实时拉曼检测，同时还能根据实时检测结果进行手术切除，保证了病变组织边缘切除的精确性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。