細胞分析的光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置的製作方法
2023-05-15 02:43:06
專利名稱：細胞分析的光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學系統，特別涉及一種生物醫學細胞檢測技術領域的 光學系統。
背景技術：
癌症患病率和死亡率的逐年提高，為用於癌症早期診斷的應用設備領域 提出新的挑戰。生物組織癌變過程中，癌變細胞的形態和結構相對正常細胞 存在很大的差別，這體現在癌細胞的體積增大，細胞核明顯增大且外形不規
則，以及細胞核包含的脫氧核糖核酸(DNA)內含物和染色體的質地發生變化。 細胞的形態和生化成分發生的這些變化必然會對細胞的顯微圖像和光學光譜 特性產生重大影響，這也正是早期癌症檢測的重要依據。
總結當前研究結果表明，腫瘤診斷的金標準是病理切片的顯微鏡觀察， 但是顯微圖像也只是反應細胞的形態特徵；且分析費時費力，醫生的主觀因 素較多地影響診斷結果。在當前開發的基於光學方法的檢測手段都存在一些 缺陷，如內窺式雷射共聚焦顯微鏡是當前研究的熱點，不過也只能得到組織 細胞三維形態的變化，給出定性的疾病分析，與傳統的病理分析相比，只是 可以實現在體，無創，實時地細胞成像分析，仍然是定性的；光譜分析技術 具有快速、靈敏、準確等獨特的優點，但目前光譜研究都是針對組織層面的， 得到組織體的平均光學特性，沒有達到細胞層面，疾病分析的解析度不高， 特異性較差。所以，現有的醫療檢測手段還不能夠或有效的檢測和確診癌症 早期。 發明內容本發明是針對現有技術不能夠在細胞水平上獲取特定位置的細胞形態信 息和光譜信息的技術問題，提出了一種光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置，它 是將光纖共聚焦光譜分析技術和顯微光學成像技術相融合的細胞檢測裝置， 此裝置能夠同時獲得被測細胞的形態結構信息和反映細胞形態和成分特性的 光譜信息，得到被測細胞定性、定量、定位的綜合分析信息。
本發明的技術方案為光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置，包括光源照明 系統、光纖共聚焦光譜分析系統、顯微成像和定位系統、數據分析系統，照 明光源系統給光纖共聚焦光譜分析系統提供光源；光纖共聚焦光譜分析系統 傳輸照明光照射細胞，並接收攜帶細胞信息的背向散射的光信號，獲取光譜 信息進入數據分析系統分析；顯微成像和定位系統由照明系統照明，獲得反
映細胞形態和結構的圖像信息進入數據分析系統；數據分析系統同時獲取被
測細胞的顯微圖像和反映細胞形態和成分特性的光譜信息。
所述的白光照明系統包括白光光源、光纖耦合器和耦合透鏡組，照明光 經光纖耦合器傳輸光源的光能量進入耦合透鏡組，耦合透鏡組聚焦光源能量 到被測樣品上。
所述光纖共聚焦光譜分析系統包括光纖耦合器、耦合透鏡組、三維掃描
平臺和光纖CCD光譜儀，三維掃描平臺上樣品散射和吸收特性的後向散射光信 號由耦合透鏡組收集耦合到光纖耦合器的光纖中，再由此光纖與光纖CCD光譜 儀連接，實現光電信號的轉換，三維掃描平臺用於調整被測細胞的位置。
所述顯微成像和定位系統，包括倒置型生物顯微鏡系統和CCD相機，倒 置型生物顯微鏡系統獲取被測細胞的顯微圖像，觀測細胞形態結構；同時通 過CCD相機接收顯微圖像，傳輸到數據分析系統。所述的數據分析系統為一臺通用計算機，計算機連接著光纖CCD光譜儀
和CCD相機，獲取和分析光纖CCD光譜儀傳輸的被測細胞的信號光譜；同時 接收CCD相機傳輸的細胞顯微圖像信息，分析被測細胞的形態、成分和光學
特性的綜合信息。
本發明的有益效果在於本發明結合光纖共聚焦技術、後向散射光譜分
析技術和顯微成像技術，提出了適用於同時獲取特定細胞的顯微圖像和光譜 信息的細胞檢測裝置，能夠實時的獲取細胞的綜合信息。這就解決了目前技 術不能夠在細胞水平上獲取特定位置的組織形態信息和光譜信息的技術問 題。對於癌症除檢測癌變細胞的顯微形態信息外，同時獲取相應細胞生化成 分的光譜，光譜信息中既包括了形態變化對光的散射特性變化，也包括了細 胞中成分變化導致的光吸收特性的變化信息，結合這兩種檢測技術的細胞分 析裝置，能及時發現細胞的早期癌變，以便對癌症實施全面而及時的診斷。
而且，當前顯微成像技術和CCD光譜技術都是比較成熟的檢測技術，且CCD 光譜技術可以進行實時分析，所以，本發明提供的裝置利用現有先進技術， 大大提高癌變細胞的檢測精度，同時可以大大降低檢測成本。
圖1是本發明光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置的系統結構框圖； 圖2是本發明光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置的系統光路圖。
具體實施例方式
如圖1所示光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置的系統結構框圖，本發明包
括，光源照明系統11;光纖共聚焦光譜分析系統12;顯微成像和定位系統13; 數據分析系統14。照明光源系統11，給光纖共聚焦光譜分析系統12提供光源；光纖共聚焦光譜分析系統12傳輸照明光照射細胞，並接收攜帶細胞信息 的背向散射的光信號，獲取光譜信息進入數據分析系統14分析；顯微成像和 定位系統13從光纖共聚焦光譜分析系統12獲得信息轉換成反映細胞形態和 結構的圖像信息進入數據分析系統14;數據分析系統同時獲取被測細胞的顯 微圖像和反映細胞形態和成分特性的光譜信息。
如圖2所示光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置的系統光路圖，所述的白光
照明系統ll，包括白光光源l、光纖耦合器2和耦合透鏡組3 (準直透鏡和會
聚透鏡)。其中白光光源可以採用傳統的白光光源----碘鎢燈光源，用於提供
照明光，波長在390—2900nm，這樣可以大大降低系統成本，也可以採用白光 雷射器，這樣可以提供系統的分辨能力。所述照明系統中的光纖耦合器的作 用是將照明光經光纖耦合器傳輸光源的光能量進入耦合透鏡組，所述的耦合 透鏡組聚焦光源能量到被測樣品上。照明光源碘鎢燈1、光纖耦合器2和耦合 透鏡組(準直透鏡和會聚透鏡)3。照明光經光纖耦合器2中一路光纖傳輸和 耦合透鏡組3耦合，聚光照明到被測樣品上。
所述的光纖共聚焦光譜分析系統12，包括光纖耦合器2、耦合透鏡組3 以及三維掃描平臺4和光纖CCD光譜儀7。光纖耦合器2， 一路傳輸白光光源 l能量到耦合透鏡組3後，由耦合透鏡組3聚焦白光能量到被測樣品上，同時 樣品上包含樣品散射和吸收特性的後向散射光信號由耦合透鏡組3收集耦合 到光纖耦合器2的另一路光纖6中，再由此光纖與光纖CCD光譜儀7連接， 實現光電信號的轉換。三維掃描平臺4用於調整被測細胞的位置。光纖CCD 光譜儀7實現光電信號轉換後，通過計算機8獲取和分析被測細胞的信號光 譜。所述的顯微成像和定位系統13，可以使用倒置型生物顯微鏡系統9，將
被照明的探測細胞在三維樣品臺4上定位，並獲取被測細胞的顯微圖像，觀 測細胞形態結構；而且可以通過CCD相機5接收顯微圖像到計算機8，便於 圖像的存儲和分析。
所述的數據分析系統14，為一臺通用計算機8，計算機連接著光纖CCD 光譜儀7和CCD相機5，獲取和分析光纖CCD光譜儀7傳輸的被測細胞的信號 光譜；同時，也接收CCD相機5傳輸的細胞顯微圖像信息，這樣就可以同時 分析被測細胞的形態、成分和光學特性的綜合信息。
整個系統中，白光光源1提供的照明光經光纖耦合器2傳輸，通過耦合 透鏡組3，聚焦並定位到被測細胞樣品上，同時探頭光纖接收樣品的後向散射 信號光，經過光纖束6輸出，傳輸到光纖CCD光譜儀7，輸入計算機8獲取細 胞的光譜信息。耦合透鏡組3的光軸與倒置顯微鏡9的成像物鏡的光軸重合， 這樣可以使用同一照明光源同時為兩個檢測系統(光纖共聚焦光譜分析系統 12和顯微成像和定位系統13)提供照明，也便於通過倒置顯微鏡和CCD相機
5接收被測細胞的顯微圖像，這樣就使得計算機8同時獲取了被測細胞的光譜 信息和形態信息。其中單模光纖的數值孔徑與耦合透鏡組3的數值孔徑相匹 配，這樣的有益效果是使提高光能的傳輸效率。更好地利用光能量，提高測 量細胞內部的結構形態和成分信息的對比度。
所述的數據分析系統14,包括對共聚焦顯微光譜系統12輸出的光電信號 的顯示和分析以及對顯微成像和定位系統13中CCD相機5輸出的圖像信號的 顯示與分析。數據分析系統14必備的是一臺通用計算機8，計算機8連接著 光纖共聚焦光譜分析系統12中的光纖CCD光譜儀7和顯微定位和成像系統13中的CCD相機5，獲取分析光譜儀傳輸的被測細胞的信號光譜；同時，也接收
CCD相機5傳輸的細胞顯微圖像信息，這樣就可以同時分析被測細胞的形態、
成分和光學特性的綜合信息。
權利要求
1、一種光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置，包括光源照明系統、光纖共聚焦光譜分析系統、顯微成像和定位系統、數據分析系統，照明光源系統給光纖共聚焦光譜分析系統提供光源；光纖共聚焦光譜分析系統傳輸照明光照射細胞，並接收攜帶細胞形態和成分信息的背向散射的光信號，獲取光譜信息進入數據分析系統分析；顯微成像和定位系統獲得反映細胞形態和結構的圖像信息進入數據分析系統；數據分析系統同時獲取被測細胞的顯微圖像和反映細胞形態和生化特性的光譜信息。
2、 根據權利要求l所述的光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置，其特徵在於所述 的白光照明系統包括白光光源、光纖耦合器和耦合透鏡組，照明光經光纖耦 合器傳輸光源的光能量進入耦合透鏡組，耦合透鏡組聚焦光源能量到被測樣P 卜 叩工o
3、 根據權利要求l所述的光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置，其特徵在於所述 光纖共聚焦光譜分析系統包括光纖耦合器、耦合透鏡組、三維掃描平臺和光 纖CCD光譜儀，三維掃描平臺上樣品散射和吸收特性的後向散射光信號由耦合 透鏡組收集耦合到光纖耦合器的光纖中，再由此光纖與光纖CCD光譜儀連接， 實現光電信號的轉換，三維掃描平臺用於調整被測細胞的位置。
4、 根據權利要求1所述的光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置，其特徵在於所述 顯微成像和定位系統，包括倒置型生物顯微鏡系統和CCD相機，倒置型生物 顯微鏡系統獲取被測細胞的顯微圖像，觀測細胞形態結構；同時通過CCD相 機接收顯微圖像，傳輸到數據分析系統。
5、 根據權利要求1所述的光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置，其特徵在於所述的數據分析系統為一臺通用計算機，計算機連接著光纖CCD光譜儀和CCD相 機，獲取和分析光纖CCD光譜儀傳輸的被測細胞的信號光譜；同時接收CCD 相機傳輸的細胞顯微圖像信息，分析被測細胞的形態、成分和光學特性的綜合信息。
全文摘要
本發明涉及一種光纖共聚焦顯微光譜與成像裝置，它將光纖共聚焦光譜分析系統、顯微成像定位系統和數據分析系統相融合，能夠同時獲取細胞顯微圖像和顯微光譜醫學信息的細胞檢測裝置。白光源做照明光源；光纖共聚焦光譜分析系統傳輸照明光照射細胞，並接收攜帶細胞信息的背向散射的光信號，獲取光譜信息；顯微成像系統獲得反映細胞形態和結構的圖像信息；數據分析系統同時獲取被測細胞的顯微圖像和反映細胞形態和生化特性的光譜信息。通過對比正常細胞和癌變細胞在顯微圖像和光譜上的差別，來診斷早期癌變的細胞。
文檔編號C12Q1/02GK101303315SQ200810035698
公開日2008年11月12日 申請日期2008年4月8日 優先權日2008年4月8日
發明者方寶英, 成 王, 蔡文杰, 陳家璧 申請人:上海理工大學