用于浅表拉曼光谱采集的内窥光纤拉曼光谱探头及系统

1.本发明属于用于浅表拉曼光谱采集的内窥拉曼光谱探头的技术领域，具体涉及一种用于浅表拉曼光谱采集的内窥光纤拉曼光谱探头及系统。


背景技术：

2.拉曼光谱技术是一种基于非弹性拉曼散射的光谱技术，能够揭示待测对象分子振动和转动方面的信息。将拉曼光谱技术应用于临床生物医学，能够获得生物组织的蛋白质、脂质和dna等生物分子指纹，并且实现以生物组织分子指纹探测为基础的病理诊断。
3.早期癌变原发于上表皮，因此实现上表皮拉曼光谱的激发和采集，有利于提高基于拉曼光谱技术的早期癌变诊断特异性和灵敏度。
4.将拉曼光谱技术应用于临床消化道早期癌变诊断时，消化道上表皮厚度约为300微米，因此，实现浅表300微米拉曼光谱的有效采集，有望提高基于拉曼光谱技术的早期消化道癌诊断特异性和灵敏度。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种用于浅表拉曼光谱采集的内窥光纤拉曼光谱探头及系统，能够实现生物组织浅表300微米拉曼光谱的有效采集。
6.实现本发明的技术方案如下：
7.用于浅表拉曼光谱采集的内窥光纤拉曼光谱探头，包括：一根激光传输光纤，一个将拉曼光谱激发光会聚到生物组织表面的透镜，以及一根拉曼光谱采集光纤；其中，激光传输光纤和采集光纤端面均呈斜面，且二者沿透镜中心位置呈对称排布。
8.进一步地，所述透镜为耦合球镜。
9.进一步地，激光传输光纤的端面镀制带通滤光膜。
10.进一步地，采集光纤的端面镀制长通滤光膜。
11.进一步地，激光传输光纤的端面与透镜之间设置方形带通滤光片。
12.进一步地，采集光纤的端面与透镜之间设置方形长通滤光片。
13.用于浅表拉曼光谱采集的内窥光纤拉曼光谱系统，包括计算机、激光器、激光传输光纤、内置带通滤光片的光纤耦合器、拉曼光谱采集光纤、内置长通滤光片的光纤耦合器、内窥光纤拉曼光谱探头、拉曼光谱仪和ccd；
14.计算机控制激光器发出拉曼光谱激发光，所述拉曼光谱激发光经过激光传输光纤和内置带通滤光片的光纤耦合器，耦合到内窥光纤拉曼光谱探头；由内窥光纤拉曼光谱探头出射的拉曼光谱激发光聚焦到生物组织上表皮，并激发生物组织上表皮的拉曼光谱信号，所述探头探测该拉曼光谱信号，并依次通过拉曼光谱采集光纤和内置长通滤光片的光纤耦合器传输至拉曼光谱仪和ccd，最终在计算机上分析得到生物组织上表皮的分子振动和转动方面的信息，实现生物组织上表皮的拉曼光谱探测。
15.进一步地，所述拉曼光谱仪包括用于准直的凹面镜、光栅以及用于会聚的凹面镜。
16.有益效果：
17.1、本发明的内窥光纤拉曼光谱探头，通过设计一进一出、沿耦合球镜中心对称放置的斜面激发光纤和采集光纤，将上表皮拉曼光谱信号比例提高至》90％，有效实现原发于上表皮的拉曼光谱探测，并降低深层间质拉曼光谱信号的干扰，有效实现基于拉曼光谱技术的早期消化道病变诊断。
18.2、本发明的内窥光纤拉曼光谱探头的外径不超过2.5mm，能够通过消化内镜活检通道进入消化道并实现消化道拉曼光谱的内窥探测。
19.3、本发明公开了便于拉曼光谱探头组装和测试的方形滤光片设计。相较于普通的圆形或者环形滤光片，方形滤光片更容易保证滤光片切割精度，便于拉曼光谱激发光纤和采集光纤中心与带通滤光片和长通滤光片的匹配、对准，提高拉曼光谱激发和采集效率。
20.4、本发明的内窥光纤拉曼光谱系统能够实现病人消化道组织的拉曼光谱分子指纹探测，以及以拉曼光谱分子指纹探测为基础的高特异性和灵敏度消化道病变诊断。
21.5、本发明的内窥光纤拉曼光谱系统同样适用于人体其它需要浅层拉曼光谱探测的早期病变诊断。
附图说明
22.图1为本发明的内窥光纤拉曼光谱探头的结构示意图。
23.图2为本发明采用方形滤光片的内窥光纤拉曼光谱探头的结构示意图。
24.图3为本发明的内窥光纤拉曼光谱系统的结构示意图。
25.图4为本发明的拉曼光谱仪的光路组成示意图。
26.图5(a)为探头用于双层模拟组织实验原理示意图，图5(b)为探头测得的脂肪层、肌肉层和双层模拟组织的拉曼光谱。
27.图6为采用本发明探头所采集的离体新鲜猪食道的拉曼光谱。
28.其中，1-激光传输光纤，2-带通滤光膜，3-耦合球镜，4-长通滤光膜，5-拉曼光谱采集光纤，6-方形带通滤光片，7-方形长通滤光片，8-激光传输光纤，9-内置带通滤光片的光纤耦合器，10-内置长通滤光片的光纤耦合器，11-拉曼光谱采集光纤。
具体实施方式
29.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
30.本发明提供了一种用于浅表拉曼光谱采集的内窥光纤拉曼光谱探头，如图1所示，包括：一根激光传输光纤1，一个将拉曼光谱激发光会聚到生物组织表面的透镜(耦合球镜3)，以及一根拉曼光谱采集光纤5；其中，激光传输光纤1和采集光纤5端面均呈斜面，且二者沿透镜中心位置呈对称排布。激光传输光纤1的端面镀制带通滤光膜2，采集光纤5的端面镀制长通滤光膜4。
31.由激光传输光纤1传导的拉曼光谱激发光首先经过激光传输光纤端面镀制的带通滤光膜2。激光传输光纤端面镀制的带通滤光膜2用以消除激光传输光纤1本身产生的干扰拉曼光谱信号，只通过拉曼光谱激发光。
32.经过激光传输光纤1传导和其端面镀制的带通滤光膜2滤光的拉曼光谱激发光，进一步由耦合透镜3聚焦到食道组织上表皮，并激发食道组织上表皮的拉曼光谱信号。
33.食道组织上表皮的拉曼光谱信号经过耦合透镜3和拉曼光谱采集光纤5端面镀制的长通滤光膜4，进一步由拉曼光谱采集光纤5探测。拉曼光谱采集光纤端面镀制的长通滤光膜4只允许上表皮产生的拉曼光谱通过，并且阻挡由上表皮后向散射的拉曼光谱激发光通过拉曼光谱采集光纤5产生干扰拉曼光谱。
34.本发明通过使用端面为斜面的激发光纤1和端面为斜面的采集光纤5，将浅表拉曼光谱信号比例提高至》90％。
35.本发明的探头末端刚性部分直径不超过2.5毫米、长度不超过20毫米，满足内窥临床使用要求。探头末端耦合透镜直径范围为1-2毫米，光纤间距范围为0-1.6毫米，光纤末端到耦合球镜的距离范围为0-1.5毫米，光纤斜面倾角范围为0-30度；经过优化后的探头可以实现浅层拉曼光谱信号探测。双层生物组织模拟实验表明，所发明探头探测的拉曼光谱信号92.5％来自于浅表，有利于实现浅层早起癌变的探测。
36.优选地，如图2所示，激光传输光纤1的斜端面与耦合透镜3之间设置方形带通滤光片6(即带通滤光膜2由方形带通滤光片6代替)，采集光纤5的斜端面与耦合透镜3之间设置方形长通滤光片7(即长通滤光膜4由方形长通滤光片8代替)，方形滤光片便于切割，以完成拉曼光谱探头的研制。
37.如图3所示，用于浅表拉曼光谱采集的内窥光纤拉曼光谱系统，包括计算机、激光器、激光传输光纤8、内置带通滤光片的光纤耦合器9、本发明的内窥光纤拉曼光谱探头、内置长通滤光片的光纤耦合器10、拉曼光谱采集光纤11、拉曼光谱仪和ccd；
38.系统工作过程：
39.计算机控制激光器发出拉曼光谱激发光，所述拉曼光谱激发光经过激光传输光纤8和内置带通滤光片的光纤耦合器9，耦合到内窥光纤拉曼光谱探头；由内窥光纤拉曼光谱探头出射的拉曼光谱激发光聚焦到生物组织上表皮，并激发生物组织上表皮的拉曼光谱信号，所述探头探测该拉曼光谱信号，并依次通过拉曼光谱采集光纤5、内置长通滤光片的光纤耦合器10和拉曼光谱采集光纤11传输至拉曼光谱仪和ccd，最终在计算机上分析得到生物组织上表皮的分子振动信息，实现生物组织上表皮的拉曼光谱探测。
40.如图4所示，所述拉曼光谱仪包括用于准直的凹面镜、光栅以及用于会聚的凹面镜。
41.在本发明系统中，探头的前端和探头中均设置了带通滤光片和长通滤光片，用于加强滤光效果。
42.实施例1
43.本发明通过双层模拟组织实验验证发明探头的浅表拉曼光谱采集性能。
44.图5(a)所示为探头用于双层模拟组织实验原理示意图。其中，双层组织由0.3mm厚的上层脂肪组织和2mm厚的下层肌肉组织组成。
45.图5(b)所示为探头测得的脂肪层、肌肉层和双层模拟组织的拉曼光谱。
46.由图5(b)可见，脂肪层的典型拉曼光谱峰值及其代表的生物分子组成如下：
47.1078cm-1
(磷脂c-c/c-o键拉伸)
48.1301cm-1
(脂质，甘油三酯的ch2键扭曲和摇摆模式)
49.1445cm-1
(脂质和蛋白质的ch2键弯曲)
50.1745cm-1
(酯(磷脂)c＝o键的拉伸)
51.2850和2885cm-1
(脂质的对称和非对称ch2键拉伸)
52.由图5(b)可见，肌肉层的典型拉曼光谱峰值及其代表的生物分子组成如下：
53.936cm-1
(蛋白质c-c键拉伸)
54.1004cm-1
(苯丙氨酸c-c键拉伸)
55.1335cm-1
(胶原蛋白ch3ch2键摇摆)
56.1445cm-1
(脂质和蛋白质的ch2键弯曲)
57.1655cm-1
(蛋白质酰胺i区c＝o键螺旋)
58.2940cm-1
(蛋白质的ch3键拉伸)
59.由图5(b)可见，双层模拟组织的典型拉曼光谱峰值及其代表的生物分子组成如下：
60.1078cm-1
(磷脂c-c/c-o键拉伸)
61.1301cm-1
(脂质，甘油三酯的ch2键扭曲和摇摆模式)
62.1445cm-1
(脂质和蛋白质的ch2键弯曲)
63.1745cm-1
(酯(磷脂)c＝o键的拉伸)
64.2850和2885cm-1
(脂质的对称和非对称ch2键拉伸)
65.由图5(b)可见，双层模拟组织的拉曼光谱与上层脂肪组织的拉曼光谱相似度很高，初步证明了所发明探头实现浅表拉曼光谱探测的能力。进一步的非线性最小二次拟合分析表明，实验测得的双层模拟实验组织的拉曼光谱有92.5％来自于浅层脂肪组织，证明了所发明探头实现浅表拉曼光谱探测的能力。
66.实施例2
67.为了验证所发明探头临床获取食道组织拉曼光谱的能力，本发明给出了具体实施例2：图6所示为用本发明探头采集的，离体新鲜猪食道的拉曼光谱。其中，拉曼光谱积分时间为1秒钟，满足实际临床实时拉曼光谱采集的要求。
68.如图6所示采集的新鲜猪食管的拉曼光谱，其典型拉曼光谱峰值及其代表的生物分子组成如下：
69.936cm-1
(蛋白质c-c键拉伸)
70.1078cm-1
(磷脂c-c/c-o键拉伸)
71.1265cm-1
(蛋白质酰胺iii区c-n键螺旋和n-h键弯曲)
72.1301cm-1
(脂质，甘油三酯的ch2键扭曲和摇摆模式)
73.1335cm-1
(胶原蛋白ch3ch2键摇摆)
74.1445cm-1
(脂质和蛋白质的ch2键弯曲)
75.1655cm-1
(蛋白质酰胺i区c＝o键螺旋)
76.1745cm-1
(酯(磷脂)c＝o键的拉伸)
77.2850和2885cm-1
(脂质的对称和非对称ch2键拉伸)
78.2940cm-1
(蛋白质的ch3键拉伸)
79.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。