基于多光谱荧光寿命检测皮肤癌病变程度的系统

基于多光谱荧光寿命检测皮肤癌病变程度的系统
(一)技术领域
1.本发明涉及的是一种基于多光谱荧光寿命检测皮肤癌病变程度的系统，本发明利用多光谱荧光强度来检测皮肤的健康状态，再通过荧光寿命检测皮肤的病变程度，可广泛用于皮肤癌或其他癌症的检测，属于皮肤医学诊断技术领域。
(二)

背景技术：

2.大约90％的皮肤癌是因为人们长期暴露在紫外线下引起的。人体皮肤主要由三层组成，从外到内分别是角质层、表皮层、真皮层。皮肤癌主要分为黑色素瘤、基底细胞癌和鳞状细胞癌。其中黑色素瘤是所有皮肤癌中最致命的一种。黑色素细胞是位于表皮下部的细胞。当黑色素细胞聚集在一起时，它们形成非典型痣，聚集部位比其他部位更容易发生变异成为恶性黑色素瘤的皮肤区域。基底细胞癌(bcc)在皮肤恶性肿瘤中的占比最大，是一种较为常见的恶性皮肤癌，bcc的破坏性比较大，发生转移的概率比较低，所以大多数都表现为良性。目前皮肤癌早期诊断的传统方法主要有两种，一是皮肤科医生通过黑色素痣视觉线索诊断黑色素瘤，使用abcd规则对痣进行表征，但黑色素瘤早期不明显的表面特征导致检测的准确性不是很稳定。二是皮肤镜检查，这是一种非侵入性的方法，该方法是由医生手工检查，在很大程度上取决于医生的经验。皮肤镜检查提高了黑色素瘤的检测，但仍然只能通过切除病变组织后通过病理学观察实现最终诊断。病理活检会增加患者的不适和痛苦。因此，开发快速、非侵入性、廉价且易于诊断的方法，以适应皮肤癌患者的增加是非常重要的。
3.通过皮肤镜进行目视检查是现在检测皮肤癌最广泛的技术。abcd规则的引入使黑色素瘤的早期发现有了明显的改善，但使用这个规则时，黑色素瘤的大小会影响判断。当黑色素瘤大于6mm，abcd标准更为明显；当黑色素瘤小于6mm时，在这个阶段，形状、边界和颜色可能相对规则，但它已经是黑色素瘤了。在非常小的黑色素瘤中，通过皮肤镜检查可以增强它们的特征。许多研究表明,皮肤镜对于恶性黑色素瘤的早期诊断也是一种有效的辅助诊断工具,并且可显著提高其诊断的准确率。皮肤镜在用于鉴别黑色素细胞起源皮损的良、恶性时,常用的判断方法主要有:模式分析法、abcd法则、menzies11分测评法、7分测评法、修订的模式分析法以及3分测评法等,其中以模式分析法所表现出的优势最大。恶性黑色素瘤在皮肤镜下的表现模式很多,如:蓝白幕、不典型色素网、不规则的点和球以及多种色调改变等,但每种病理类型及发生在不同部位的黑色素瘤也有其各自的具有早期诊断意义的特征性改变。
4.通过皮肤镜图像准确的对皮肤病变进行判断，以减少皮肤活检给病人带来的不适，2018年东软集团股份有限公司公开了一种皮肤镜图像处理方法、装置及设备(中国专利：cn201810772239.9)。该装置先接收待处理的皮肤图像，对皮肤图像进行特征提取，根据特征向量对皮肤图像分类。此方法需要建立两次分类模型，算法比较复杂，耗时长无法快速检测皮肤癌病变。
5.光学诊断技术使医生能够收集有关组织生理参数的信息，而不干扰与疾病有关的生物过程的动态。2020年宁波工程学院公开了一种基于oct成像图像的光学强度及梯度的
皮肤癌分类方法(中国专利：cn202011050703.7)。对采集到的皮肤图像进行降噪，然后提取光学强度特性参数，用来区分黑色素瘤和黑色素痣。但无法穿透到深度的皮肤组织中检测皮肤癌的病变，并且也不能检测非黑色素瘤的皮肤癌。
6.2019年上海交通大学公开了一种生物标记物在制备用于制备皮肤自荧光检测皮肤癌产品中的方法及其应用(中国专利：cn201910008085.0)。该专利通过自荧光的光强来判断皮肤癌类型和时期，但自荧光的光强在一定程度上受激发光的影响，并且该方法需要用生物制剂来增加皮肤的自荧光，灵敏度和自动化较低。
7.2015年复旦大学公开了一种自体荧光寿命成像和荧光光谱结合用于癌症早期诊断的装置(中国专利:cn201510291576.2)。该装置用不同的探测器接收荧光寿命信息和荧光光谱信息,并利用计算机系统对自体荧光寿命信息和荧光光谱信息进行处理，通过荧光寿命软件拟合出荧光寿命曲线，因此需要选择吻合度高的拟合方法，来体现样本数据的真实性。
8.2017年华东师范大学公开了一种基于少通道tcspc和多探测器的时间分辨荧光测量系统(中国专利：cn201710670382.2)。该系统通过多个探测器，提高了单光子计数器的效率，可以快速获得不同波长的荧光光谱寿命。但没有应用在检测皮肤癌病变的领域中。
9.2021年上海市第一人民医院公开了一种基于红外成像的皮肤癌筛查系统(中国专利：cn202110776658.1)。该系统利用红外光对人体采集全身图像，然后通过热图处理模块确定疑似病变区域，再对皮肤图像进行筛选、处理，最后将图片传输到卷积神经网络中训练得出诊断结果。但该装置的光谱范围是红外光，无法实现多光谱对不同类型的皮肤癌检测。
10.但上述方案均无法同时实现对皮肤癌定性和定量的测量，为此，本发明提出了一种基于多光谱荧光寿命检测皮肤癌病变程度系统。由于不同光谱对皮肤的穿透深度不同，本系统可以通过多光谱对不同深度和不规则的皮肤表面的皮肤癌进行检测，并且还能测量荧光强度对皮肤的状态进行定性分析，有无皮肤癌；再使用tcspc技术检测皮肤荧光寿命，可以定量的分析皮肤癌的病变程度，以此来为皮肤癌的诊断和分析提供了一种更可靠，更精确和非侵入性的检测方式。
(三)

技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种操作简单、无创检查的皮肤癌诊断、分析和早期分类的基于多光谱荧光寿命检测皮肤癌病变程度的系统。
12.多光谱荧光寿命检测皮肤癌病变程度系统是由光源(1)、滤光片组(2)、人体皮肤(3)、准直器(4)、滤光片(5)、单光子探测器(6)、计数器(7)、光功率计(8)、整形电路(9)、信号处理器(10)、tcspc系统(11)、pc端(12)组成。
13.本发明的目的是这样实现的：所述系统中光源(1)由多个不同波长的激光二极管(ld)构成，其发出的波长范围是可见光到红外光，同时它也会发出一个同步脉冲信号作为tcspc系统(11)开始计数的信号，光源的初始光强会被信号处理器(10)记录。经过滤光片组(2)可以得到特定波长范围内的光谱，光源照射在人体皮肤(3)上，激发皮肤内的内源性荧光团，荧光经过准直器(4)变成平行光束，滤光片(5)将剩余光源的光过滤掉，荧光从单光子探测器(6)出来后会分为两路，一路进入光功率计算系统，另一路进入整形电路(9)。光功率计算系统中有一个计数器(7)会存储单光子探测器探测到的光子数，同时光功率计(8)会检
测到此时的光功率，即光强也可测得。随着检测次数的不断累积，会得到皮肤荧光的光强随时间变化的曲线图。单光子探测器在一个周期内探测到一个光子后，经过整形电路(9)，把信号变成晶体管-晶体管逻辑(ttl)电平信号，然后这个信号是tcspc系统(11)结束计数的信号脉冲。重复多次测量，会得到相应的荧光寿命时间的光子分布图。最后的数据通过有线或无线传输的方式传送到pc端(12)显示。
14.所属系统中的照明光源(1)是由n个不同波长的激光器或激光二极管组成，n个开关控制。在不同时刻n个激光二极管被点亮，同时也会作为一个tcspc系统(11)开始计数的同步脉冲信号，通过电机控制光源盘固定在某个滤光片组(2)处，即可实现不同波长的转换。
15.光源照射在人体皮肤(3)上激发自体荧光，经准直器(4)变成平行光束，滤光片(5)可将多余的激光滤掉，荧光进入单光子探测器(6)将光信号转化成可测的电信号。单光子探测器可以是雪崩二极管或光电倍增管。
16.电信号从单光子探测器出来之后会分为两路，一路进入光功率计算系统，每个周期内探测到一个光子，计数器(7)就加一，探测到第一个光子的时间记为t1，然后光功率计(8)测得此时的光功率，即光强也可测的，光源的初始光强会被信号处理器(10)记录，随着测量周期的不断增加，会得到皮肤荧光的光强随时间变化的曲线图。另一路则会进入整形电路(9)，整形电路将电信号整形成晶体管-晶体管逻辑(ttl)电平信号，这个信号是tcspc系统(11)结束计数的脉冲信号。重复上述步骤，会得到相应的荧光寿命时间的光子分布图。最后的数据通过有线或无线传输的方式传送到pc端(12)显示。
17.tcspc系统是由时间幅值转换电路(tac)、模拟数字转换电路(adc)、存储器、加法器组成。ttl电平信号输入tcspc系统后，时间幅度转换器tac将探测器探测到一个光子的时间到下一个激光脉冲的时间间隔转换成电压。a/d转换器adc将tac输出电压转换成数字作为存储器的地址。
18.本发明所述的荧光是皮肤自体荧光，人体内存在着许多内源性荧光团，主要是蛋白质如胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白等以及黑色素和血红蛋白。在特定波长的激发下，皮肤会出现自体荧光，如胶原蛋白和弹性蛋白及其交联物在320至400纳米激发下发出荧光，但是由于皮肤病变，导致体内的荧光团减少或增多，因此可以通过测量荧光强度来判断皮肤的健康状态，再通过分析荧光寿命来检测皮肤病变程度，为皮肤癌的诊断和检测提供了一种无创、精确的方法。
(四)附图说明
19.图1是利用tcspc检测多光谱荧光寿命的和用荧光显微镜观察荧光强度的基于多光谱荧光寿命检测皮肤癌病变程度的系统示意图。是由光源(1)、滤光片组(2)、人体皮肤(3)、准直器(4)、滤光片(5)、单光子探测器(6)、计数器(7)、光功率计(8)、整形电路(9)、信号处理器(10)、tcspc系统(11)、pc端(12)组成。
20.图2是基于多光谱荧光寿命检测皮肤癌病变程度系统的一个实例。
21.图3是黑色素瘤的荧光强度示意图。
22.图4是黑色素瘤的荧光寿命示意图。
(五)具体实施方式
23.图2给出了基于多光谱荧光寿命检测皮肤癌病变程度的系统的实施例。系统是由光源(1)、滤光片组(2)、人体皮肤(3)、准直器(4)、滤光片(5)、单光子探测器(6)、计数器(7)、光功率计(8)、整形电路(9)、信号处理器(10)、tcspc系统(11)、pc端(12)组成。
24.多光谱光源(1)由400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm的激光二极管构成。激光二极管可以通过电流调制其输出光的强弱而且能量密度较大。通过电机控制光源固定在短波通滤光片组(2)某处，滤光片组是由波长为425nm、525nm、625nm、725nm、825nm、925nm的镜片组成。某个波段的光照射在人体皮肤(3)上，激发皮肤内源性荧光，滤光片(5)将皮肤反射的激光滤掉，荧光进入单光子雪崩二极管(6)后，使其产生雪崩倍增效应放大光电信号，电信号会分为两路，一路输入到光功率计算系统，另一路输入到整形电路(9)。在光功率计算系统中，每个周期内单光子雪崩二极管探测到一个光子，计数器(7)都会加一，探测到第一个光子的时间为t1，并且光功率计(8)会测的此时的光功率，即光强也就测得。重复上述步骤，会得到皮肤荧光的光强随时间变化的曲线图(如图3所示)。整形电路(9)将输出的电信号整形成晶体管-晶体管逻辑(ttl)电平信号，该信号是tcspc系统(11)结束计数的脉冲信号。重复多次后会得到相应的荧光寿命时间的光子分布图(如图4所示)。最后光强和荧光寿命的数据通过无线的方式传输到pc端(12)显示。
25.与正常皮肤相比，随着病变黑色素的不断累积，黑色素瘤会吸收越来越多的光，反射的荧光强度就越来越弱，荧光寿命会向短的寿命偏移。基底细胞癌相较于黑色素瘤的荧光寿命稍长，但它们的荧光寿命都比正常皮肤的要短。并且恶性黑色素瘤(mm)病变发射光谱与健康皮肤的发射光谱非常相似，没有明显的光谱形状变化。