CN101975769A - 一种基于不同波长光源激发的人体组织自体荧光检测系统 - Google Patents

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李步洪
刘丽娜
陈德福
聂英斌
黄志勇
李伟华
谢树森
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Abstract

本发明涉及一种可用于人体早期肿瘤组织的内窥镜检查中，利用不同波长光源激发人体组织中特定的内源性荧光物质，并检测与这些荧光物质相对应的特定波长荧光信息的自体荧光检测系统。自体荧光检测系统主要由激发光源部分、激发-检测-采集部分、光学收集部分、信号预处理部分和计算机部分构成，其特征在于可调谐激光器(1)可以根据人体组织中特定的内源性荧光物质调节所需的脉冲激光波长，滤光轮(10)上安装有不同中心波长的窄带滤光片。该系统可依次采用多个最佳激发波长激发人体组织中特定的内源性荧光物质，避免采用单一波长或宽光谱光源激发导致荧光信息不够丰富或信息重叠不利于分析等问题，提高早期肿瘤检测的灵敏度和特异性。

Description

一种基于不同波长光源激发的人体组织自体荧光检测系统
技术领域
本发明属生物医学类仪器，涉及一种人体组织自体荧光检测系统，尤其是一种可用于人体早期肿瘤组织的内窥镜检查，利用不同波长光源激发人体组织中特定的内源性荧光物质，并检测与这些荧光物质相对应的特定波长荧光信息的自体荧光检测系统。
技术背景
现有的人体组织自体荧光检测系统是通过利用普通内窥镜，并采用单一波长或宽光谱的光源激发人体组织的内源性荧光物质，利用正常和肿瘤组织的自体荧光光谱差异对人体组织进行荧光检测的系统。人体组织的自体荧光主要来源于氨基酸、结构蛋白、酶、辅酶、脂肪、维生素和卟啉等物质，它们各自具有不同的最佳荧光激发波长和与之对应的荧光发射波长，其中常见的内源性荧光物质如色氨酸、胶原蛋白、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、卟啉和黄素腺嘌呤二核苷酸等所对应的最佳激发波长分别为280、325、340、400和450nm，相应的最佳荧光发射波长分别为335、390、460、635和535nm。在某一特定波长激发光源的激发下，人体组织自体荧光光谱是多种内源性荧光物质光谱的叠加。截至目前，已获得临床初步应用的自体荧光检测系统有(1)Xillix-LIFE lung/GI/ENT(Xillix Technologies Corp，Richmond，BC，Canada)(激发波长442nm)；(2)D-light System(Karl Storz，Tuttlingen，Germany)(激发波长442nm)；(3)WavSTAT，Optical Biopsy System(SpectraScience，San Diego，USA)(激发波长410nm)；(4)SAFE-3000(Pentax，Tokyo，Japan)(激发波长408nm)；(5)Evis LuceraSpectrum(Olympus，Japan)(激发波长395-475nm)。这些自体荧光内窥镜检测系统采用可见光波段的单一波长(408、410和442nm)或宽光谱激发光源(395-475nm)，这些激发波长不仅不能激发色氨酸、胶原蛋白和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的荧光，而且不能有效地激发卟啉的荧光。因此，系统检测到的荧光信号主要来源于部分卟啉和黄素腺嘌呤二核苷酸。激发波长过于单一或者过于宽广均未能有效地激发具有诊断意义的荧光信息，在临床应用中尚无法实现人体早期肿瘤组织的高灵敏度和特异性检测。
发明内容
针对现有的人体组织自体荧光检测系统采用单一波长或者宽光谱光源作为激发光源，未能有效地激发具有诊断意义的内源性荧光物质的荧光信息，在临床应用中存在灵敏度和特异性不高等不足，本发明提供一种基于多波长光源激发的人体组织自体荧光检测系统，该系统可采用多个最佳激发波长激发人体组织中特定的内源性荧光物质，检测相应的荧光信息，避免采用单一波长或宽光谱光源激发导致荧光信息不够丰富或信息重叠不利于分析等问题，从而提高人体早期肿瘤组织的检测灵敏度和特异性。
为实现本发明的目的采用的技术方案是：自体荧光检测系统由激发光源部分、激发-检测-采集部分、光学收集部分、信号预处理部分和计算机部分构成，其中信号预处理部分与计算机部分通过信号线进行连接，激发光源部分通过激发光与激发-检测-采集部分中的激发光输入端的光纤相连，激发-检测-采集部分中的荧光输出端的光纤通过荧光信号通路与光学收集部分相连，荧光信号通路经过光学收集部分传输后进入信号预处理部分，信号预处理部分中光电倍增管光电转化后变为电信号，进入计算机部分。
所述的激发光源部分由波长可调谐激光器、光衰减器和耦合透镜组成，构成激发光通路。所述的可调谐激光器可以根据人体组织中特定的内源性荧光物质调节所需的脉冲激光波长，可依次调节的波长范围从210nm到2200nm，克服了现有的人体组织自体荧光检测系统采用单一波长或者宽光谱光源作为激发光源，未能有效地激发具有诊断意义的内源性荧光物质的荧光信息，在临床应用中存在灵敏度和特异性不高等不足；可调谐激光器输出的脉冲激光功率可以通过光衰减器进行调节，调节后的激发光经过耦合透镜耦合进入Y型光纤的激发光输入端的光纤内。
所述的激发-检测-采集部分由两路呈Y型的光纤和内窥镜组成，其中Y型光纤的一路由六根传输激发光的光纤，另一路为单根传输荧光光纤的荧光输出端。传输激发光的光纤一端为激发光输入端，另一端为接入端，通过内窥镜的活检通道接入内窥镜内，激发光源部分发出的激发光通过该光纤照射待测组织；传输荧光的光纤一端为荧光输出端，另一端亦为接入端，通过内窥镜的活检通道接入内窥镜内。传输激发光的光纤接入端和传输荧光光纤的接入端合并构成Y字型的尾部，传输激发光的光纤输入端和传输荧光光纤的输出端分开构成Y字型的两个头部。待测组织发出的自体荧光通过该光纤的荧光输出端向光学收集部分传送荧光。这样构成“激发光-光纤-内窥镜-照射-激发荧光”和“收集荧光-光纤-传出荧光”光通路。
所述的光学收集部分由滤光轮和两个耦合透镜组成，传输荧光的光纤荧光输出端输出的荧光，通过前耦合透镜耦合后经过滤光轮中与激发光波长相对应的一个滤光片，再由后耦合透镜耦合输入信号预处理部分。滤光轮采用市场上可购买的通用型多孔滤光轮，孔中根据对应的波长安装有不同中心波长的窄带滤光片。当滤光轮上安装6个窄带滤光片时，中心波长可分别选择335nm，390nm，460nm，520nm，535nm，和635nm，带宽均为20nm，用于分别提取280nm激发光激发产生335nm的荧光信号，340nm激发光激发产生390和460nm的荧光信号，460nm激发光激发产生520nm的荧光信号，450nm激发光激发产生535nm的荧光信号和400nm激发光激发产生635nm的荧光信号。其中，波长可调谐激光器和滤光轮由计算机部分同步控制，实现激发光波长与滤光轮上的滤光片的一一对应。
所述的信号预处理部分由光电倍增管、前置放大器、光子计数器和计数板卡组成，进入光电倍增管的光信号经过光电转化后变为电信号，依次经过前置放大器、光子计数器和计数板卡，进入计算机部分进行数据采集和处理，构成信号预处理部分。
本发明专利的有益效果是，采用波长可调谐的激光器作为激发光源，获取针对特定内源性荧光物质的最佳激发波长，同时检测相对应的发射荧光，实现了荧光信息的最佳激发和检测；同时，采用滤光片从连续荧光光谱中分解获取分立的荧光波长，这在硬件上实现从连续光谱分解出能够明确表征组织荧光特性的荧光信号，简化数据处理的过程，实现人体组织自体荧光的高灵敏度和特异性检测。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
图1中，1为可调谐激光器，2为光衰减器，3为耦合透镜，4为传输激发光的光纤一端的激发光输入端，5为传输激发光光纤接入内窥镜的另一端，6为内窥镜，7为待测组织，8为传输荧光的荧光输出端，9为前耦合透镜，10为滤光轮，11为后耦合透镜，12为冷却电压控制器，13为冷却器，14为光电倍增管，15为前置放大器，16为单光子计数器，17为计数板卡，18为计算机。
具体实施方式
以下结合附图对发明作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，基于不同波长激发的自体荧光检测系统图。选取一例人体结肠组织进行自体荧光光谱特性研究。在进行实验之前，通过冷却电压控制器(12)将冷却器(13)(C9144，Hamamatsu Corp.，Japan)开启并冷却30分钟，使光电倍增管(14)(R928，Hamamatsu Corp.，Hamamatsu，Japan)达到稳定工作状态。根据实验要求，打开计算机(18)，并预先存储了与结肠组织相对应的三个阈值IT1和IT2，其数值分别为30000和3，打开可调谐激光器(1)(PIV OPO 355，OPOTEK，USA)，通过计算机(18)上的控制软件调节可调谐激光器(1)的输出波长为400nm，同时控制选择滤光轮(10)(FW102B，Thorlabs Inc.，USA)上中心波长为635nm的滤光片。可调谐激光器(1)发出的激发光经过光衰减器(2)进行功率调节，之后经过耦合透镜(3)耦合并进入传输激发光光纤的激发光输入端(4)上的六根传输激发光的光纤。传输激发光的光纤接入端(5)通过内窥镜(6)(CF-1T140I/L，Olympus Corp.，Japan)将激发光通过活检通道均匀照射在待测组织(7)上，待测组织(7)被激发后发出的荧光再由Y型光纤中的传输荧光的光纤接入端收集，最后从Y型光纤的荧光输出端(8)输出。输出的荧光由前耦合透镜(9)耦合后经过滤光轮(10)上中心波长为635nm的滤光片，进行窄带滤波后，再由后耦合透镜(11)耦合到光电倍增管(14)，通过光电倍增管(14)光电转化后转换为电信号，经过前置放大器(15)(C6438，Hamamatsu Corp.，Hamamatsu，Japan)进行电信号放大，放大后的电信号再由单光子计数器(16)(C9744，Hamamatsu Corp.，Hamamatsu，Japan)鉴别后通过计数板卡(17)(M8784，Hamamatsu Corp.，Hamamatsu，Japan)进行计数并由计算机(18)记录635nm的荧光信号I635，其数值为10000，小于阈值IT1，未能判定组织类型，须进行进一步检测。再通过计算机(18)上的控制软件调节可调谐激光器(1)的输出波长为280nm，同时控制选择中心波长为335nm的滤光片，由计数板卡(17)进行计数并由计算机(18)记录335nm的荧光信号I335，其数值为96000；再通过计算机(18)上的控制软件调节可调谐激光器(1)的输出波长为340nm，同时控制选择中心波长为390nm的滤光片，由计数板卡(17)进行计数并由计算机(18)记录390nm的荧光信号I390，其数值为50000；再选择中心波长为460nm的滤光片，记录460nm的荧光信号I460，其数值为82000。再选择可调谐激光器(1)输出波长为450nm，同时选择中心波长为535nm的滤光片检测535nm的荧光信号I535，其数值为15000。最后，再选择可调谐激光器(1)输出波长为460nm，同时选择中心波长为520nm的滤光片检测520nm的荧光信号I520，其数值为20000。在计算机(18)上进行数据处理，计算Ir＝(I460+I520+I535)×I335/(I390)2的结果为4.49，大于阈值IT2，表明还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，黄素腺嘌呤二核苷酸和色氨酸相对于胶原蛋白的相对含量较高，判定待测组织为结肠肿瘤组织。
实施例2
选取另一例人体结肠组织进行自体荧光光谱特性研究。按照实施例1的过程，首先选择400nm激发光，检测635nm的荧光信号I635，其记录的数值为9000，小于阈值IT1，未能判定组织类型，须进行进一步检测。接着，选择280nm激发光激发，检测335nm的荧光信号I335，其数值为75000。然后选择340nm激发光，检测390nm和460nm的荧光信号I390和I460，其数值分别为70000和81000。再选择450nm激发光激发，检测535nm的荧光信号I535，其数值为10000。最后，选择460nm激发光，检测520的荧光信号I520，其数值为18000。计算Ir＝(I460+I520+I535)×I335/(I390)2的结果为1.67，小于阈值IT2，表明表明还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，黄素腺嘌呤二核苷酸和色氨酸相对于胶原蛋白的相对含量较低，判定待测组织为结肠正常组织。
实施例3
选取另一例人体结肠组织进行自体荧光光谱特性研究。按照实施例1的过程，首先选择400nm激发光，检测635nm的荧光信号I635，其记录的数值为60000，高于阈值IT1，表明卟啉含量较高，判定待测组织为结肠肿瘤组织。

Claims (4)

1.一种基于不同波长光源激发的人体组织自体荧光检测系统，主要由激发光源部分、激发-检测-采集部分、光学收集部分、信号预处理部分和计算机部分构成，其中信号预处理部分与计算机部分通过信号线进行连接，激发光源部分通过激发光与激发-检测-采集部分中的激发光输入端的光纤相连，激发-检测-采集部分中的荧光输出端的光纤通过荧光信号通路与光学收集部分相连，荧光信号通路经过光学收集部分传输后进入信号预处理部分，信号预处理部分中光电倍增管光电转化后变为电信号，进入计算机部分，其特征在于可调谐激光器(1)可以根据人体组织中特定的内源性荧光物质调节所需的脉冲激光波长，滤光轮(10)上安装有不同中心波长的窄带滤光片。
2.根据权利要求1所述的一种基于不同波长光源激发的人体组织自体荧光检测系统，其特征在于所述的可调谐激光器可依次调节的波长范围从210nm到2200nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于不同波长光源激发的人体组织自体荧光检测系统，其特征在于所述的滤光轮上安装有不同中心波长的窄带滤光片。
4.根据权利要求1所述的一种基于不同波长光源激发的人体组织自体荧光检测系统，其特征在于可以通过计算机上的同步控制软件，实现可调谐激光器输出的激发光波长与滤光轮上相对应的窄带滤光片的同步转换。
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