體表無創性檢測生物體組織的裝置的製作方法

2023-05-03 15:44:16

專利名稱：體表無創性檢測生物體組織的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種體表無創性檢測生物體組織分子結構變化的專用裝置。
背景技術：
用影像學方法檢測體內組織變化，如檢測發生增生、腫瘤等病變的方法，目前臨床上常用的有X光、CT和MRI等。這些方法的一個共同的要求是，必須當體內已有異物形成，並達到一定體積後，即具有「佔位效應」後方可利用成像的方式檢出。而且有時即使體內已有腫物形成，但體積較小，如直徑在1cm以下，一般也難於檢測出來，往往需要用創傷性方法從體內取出組織後進行檢測。這種方法中，取樣的過程會造成患者的痛苦，而且檢測過程所需時間較長。因此，這種檢測方法通常用在病人有自覺症狀後，或用其它生化檢測方法查出一定結果後才施行。比如，在手術過程中進行的病理切片檢驗等。而此時往往已是疾病的中、晚期，可能錯過最佳治療時間。因為對於許多疾病，早期診斷是治癒的關鍵。
已知每種物質都有其特徵紅外吸收譜，即只吸收某些波長而不吸收其它波長的紅外線，所以特徵的紅外吸收譜可以用來進行物質的定性分析。此外，由於物質的總量與吸收強度成正比，因此還可以利用吸收譜進行物質的定量分析。目前常用紅外光譜儀測量物質對紅外輻射的吸光度(或透過率)，用於研究物質分子結構的變化。生物體組織包括有核酸、蛋白質、脂肪等，在正常情況下和病理狀態下，這些生物分子的組成、結構會有所不同。根據此原理，已有人用紅外光譜檢測癌細胞，最早報導的文獻如Benedeth，AppliedSpectroscopy，1986，40，39。但其測定也需經過複雜的制樣技術，費時，而且是創傷性的方法。因此迫切需要發展一種無創性的、可早期診斷生物體組織病變的方法。
傅立葉變換紅外光譜儀(簡稱FT-IR)是目前最廣泛應用的紅外光譜儀，由光源、光學測量系統、計算機數據處理系統、計算機接口及電子線路系統幾個主要部分組成。其中光學測量系統用來測量收集數據，計算機用來處理數據和控制儀器運行。FT-IR可將所有波長的光同時傳送到探測器中，探測器所接收的信號是幹涉圖。在採集幹涉圖之後，計算機通過快速傅立葉變換的方法將幹涉圖轉換為光譜圖。即，將幹涉圖中每一波長的不同吸收一一鑑別出來(所謂傅立葉變換，就是將時間範疇中的正弦或餘弦函數與頻率範疇互相變換)。(參見吳瑾光主編《近代傅立葉變換紅外光譜技術及應用》，科學技術出版社，1994年)。
目前使用的FT-IR有多種類型和型號，如有研究型、分析型、通用型及各種專用型等，但無論用何種類型的儀器進行樣品測定時，都需要取一定量的待測樣品，然後置於紅外光譜儀內部樣品室中的有關附件上進行測量。有時樣品還需預先經過處理才能適於測量，如對生物樣品進行勻漿化處理等。這樣的方法不僅較麻煩，而且不能解決直接測定生物體的問題，還會對生物樣品的組織結構產生破壞，影響測量結果。因此很需要對傅立葉變換紅外光譜儀進行改進，如帶有可在生物體表面採樣，並直接進行測量的專用探測裝置，使其可直接用於人體等生物體測定，即，可直接在身體表面進行測定。因此還要求此儀器性能穩定，操作方便，易於移動，有更高的信噪比和檢出限等。另外，直接用於生物體的檢測，還要求儀器中與被檢者接觸部分便於反覆消毒，避免交叉感染。

發明內容
本實用新型的目的是研製一種檢測生物體組織分子結構變化的裝置。
本實用新型提供的專用裝置，是在普通傅立葉變換紅外光譜儀上增加了一套附加裝置。其中所用的普通傅立葉變換紅外光譜儀，指測量範圍為中紅外的各種類型的傅立葉變換紅外光譜儀，可以是按下文所述進行適當改造的或重新設計的小型傅立葉變換紅外光譜儀。
所述專用裝置的附加裝置包括光纖採樣附件、光纖耦合部件、紅外探測器部件，分述如下。
1.光纖採樣附件由中紅外光纖(包括入射光纖及出射光纖)、光纖ATR探頭組成。入射光纖及出射光纖與光纖ATR探頭連接。用於採集待測部位的組織信息。
紅外光纖直徑為1-3mm，其長度可根據實際需要任意選擇，採用的材料可以是滷化物、硫化物等晶體材料或它們的混合物，其通光範圍為700-4000cm-1；光纖ATR探頭可以包括多種不同的結構，如圓錐形或圓柱斜截面形，直徑為3-10mm。光纖探頭的材料可採用ZnSe、Ge、ZnS、Si、滷化物、硫化物等晶體材料；為保證使用中反覆消毒不會影響到使用性能，可採用密封的設計，如在光纖及探頭外壁設計不鏽鋼保護層。
光纖採樣附件採用的原理是衰減全反射原理，測量時將光纖ATR探頭直接接觸患者的體表，如乳腺、腮腺、甲狀腺等部位。
2.光纖耦合部件由離軸拋物鏡及精密微調機構組成。其作用是把從紅外光譜儀的幹涉儀出來的平行光會聚為1-3mm的光斑，使其高效耦合進光纖採樣附件的入射光纖。
其中離軸拋物鏡有2塊；精密微調機構是螺旋調位器等，用於調整拋物鏡的位置，使其精確聚焦到光纖上。
3.紅外探測器部件由離軸拋物鏡、探測器及三維調節架組成。
其中，探測器可使用液氮製冷或電製冷方式的MCT探測器(碲-鎘-汞)或熱釋電類探測器(如TGS、DTGS、DLATGS)或光電類探測器(如InSb)，這些探測器均可通過外購方式得到。
離軸拋物鏡可把平行光會聚到探測器上；三維調節架的作用是使經光纖耦合部件和反射鏡傳送過來的紅外光匯聚到探測器上，使探測器接受的光的能量最大，滿足整體儀器的信噪比要求。
光纖耦合部件位於幹涉儀部件和紅外探測器部件之間，都固定在光學臺上，光纖採樣附件固定在光纖耦合部件上。它們與幹涉儀部件和紅外光源部件構成一條完整的傅立葉變換紅外光譜儀光路系統。
以上所述的傅立葉變換紅外光譜儀的附加裝置可用本領域常規的光學加工和機械加工方法，如磨製等方法進行加工。該附加裝置的上述各部件中，除本文特別提到的以外，所用材料、結構及加工方法均屬於本技術領域普通技術人員熟知或通用的各種材料、結構及方法。
本實用新型研製的帶有附加裝置的傅立葉變換紅外光譜儀在外觀上採用一體化設計，該附加裝置可設置在傅立葉變換紅外光譜儀的左邊(見圖1、圖2)、右邊(見圖3、圖4)或中間(見圖5、圖6)。根據實際需要而靈活確定。
儘管本實用新型的裝置的體積可以大小有所不同，內部各部件也可以有多種排列方式，這些均不影響本實用新型裝置的性能和應用。但由於本裝置在使用中需要隨時改變使用場所，因此最佳的方式是儀器儘可能緊湊和小型化，使用靈活方便，且儀器內部不使用過多運動部件，可更好地保證儀器在搬動轉移過程中不影響檢測的可靠性。
由於紅外儀器受光學材料特性的限制，該類儀器均對環境溼度要求較高，針對臨床應用中環境條件複雜的實際情況，可對本儀器外部或光路系統做密封處理，即除了在機械設計中採用密封幹涉儀的設計外，還可以採用ZnSe等抗潮溼能力較強的窗口材料，將幹涉儀、光源、光纖耦合部件、探測器等光路部分整體密封起來。儀器外部只留有連接光纖的標準接頭，使用時可以方便快捷地將光纖採樣附件連接上進行檢測，以期達到對環境變化的最佳適應性。經密封的裝置不但可以減少灰塵和潮溼空氣對光學零件及精密導軌的損壞，延長儀器的壽命，還能保證環境的相對穩定，減少空氣中的水分對測量結果的影響，提高儀器的信噪比。
本儀器的測量原理是紅外光源發出的紅外光經紅外幹涉儀後形成紅外幹涉光，紅外幹涉光通過光纖耦合部件進入光纖採樣附件的入射光纖，再進入光纖ATR探頭，光纖ATR探頭直接接觸人體表面待測部位(例如乳腺、腮腺、甲狀腺等體表部位)採樣，採樣後，帶有紅外信息的紅外幹涉光進入光纖採樣附件的出射光纖，再回到光纖耦合部件，經反射鏡進入到探測器，探測器將紅外幹涉信號轉換成電信號再經過A/D變換，變成數位訊號，通過數據處理及快速傅立葉變換，最後得出帶有人體組織紅外信息的光譜圖(光譜數據)。若結合專用計算機軟體對檢測信息進行處理，使用可攜式計算機等輸出設備可即時給出所測人體組織部位是否有病變的判定結果。
用本實用新型的裝置進行檢測的操作步驟是用光纖ATR探頭先掃描測定環境的空氣背景，然後將探頭放在受檢者待測部位的皮膚表面，緊密接觸，進行掃描，儀器的解析度為4cm-1或8cm-1，掃描次數為16次以上。得到與背景對比過的光譜，光譜範圍為800-4000cm-1。整個掃描約需2分鐘即可完成測試。
可根據實際需要決定掃描次數，掃描次數越多，信噪比(S/N)越高，結果越準確，但花費時間也越多。通常以32次掃描為宜。
應用本裝置可測定活體生物組織分子結構的變化，因此可以早期檢測組織的病變，包括組織增生、纖維瘤、惡性腫瘤等。本裝置尤其適用於早期測定腺體部位，如乳腺、甲狀腺、腮腺的病變。對於組織增生，低、中、高度的病變均可測出，且測試中受檢者無任何不適感覺。
本裝置操作簡單，快速，準確，且對身體無任何傷害。


圖1是左邊設置有附加裝置的傅立葉變換紅外光譜儀的儀器布局圖；圖2是左邊設置有附加裝置的傅立葉變換紅外光譜儀的光路圖；圖3是右邊設置有附加裝置的傅立葉變換紅外光譜儀的儀器布局圖；圖4是右邊設置有附加裝置的傅立葉變換紅外光譜儀的光路圖；圖5是中間設置有附加裝置的傅立葉變換紅外光譜儀的儀器布局圖；圖6是圓柱斜截面形光纖ATR探頭結構示意圖；圖7是圓柱斜截面形光纖ATR探頭外形圖；圖8是圓錐形光纖ATR探頭結構示意圖；圖9是圓錐形光纖ATR探頭外形圖。
上述圖中，1-5是本實用新型研製的附加裝置的部件，其中，1是紅外光纖，2是光纖ATR探頭，3是紅外探測器，4是平面反射鏡，5是離軸拋物鏡；6-10是不帶附加裝置的傅立葉變換紅外光譜儀原有的部件，其中，6是固定鏡，7是動鏡，8是分束器，9是聚光鏡，10是雷射器，11是紅外光源。
12是光纖接口，13是探頭外殼，14是晶體材料探頭。
實施例1乳腺病變檢測使用儀器北京第二光學儀器廠製造的專用密封中紅外光譜儀配以中紅外光纖和ATR探頭和MCT(碲-鎘-汞)檢測器(液氮冷卻)。
檢測方法1.接通電源，進行調整，使光纖輸出能量最高，在2450cm-1能量係數(Gain＝4)約為56。
2.首先將待測乳房部位皮膚用酒精和水清洗，然後將ATR探頭放在待測部位皮膚上(對於已發生乳腺痛，或有腫物可觸及的患者，探頭應放置於病變部位外麵皮膚上)，進行32次掃描測定，依據乳腺病變的特徵峰(1000cm-1～1800cm-1波段和2800cm-1～3000cm-1波段)的變化(相對於正常乳腺的特徵峰)，與標準光譜數據對比，判定病變程度，如乳腺增生、腫瘤等。應著重觀測在1400-1490cm-1波數範圍內，是否存在明顯不同，如～1460cm-1，～1400cm-1的峰形、強度變化可以給出有關信息。
權利要求1.一種體表無創性檢測生物體組織的裝置，其特徵是包括傅立葉變換紅外光譜儀及一套附加裝置，所述附加裝置包括光纖採樣附件、光纖耦合部件、紅外探測器部件；所述附加裝置位於傅立葉變換紅外光譜儀的左邊、右邊或中間。
2.根據權利要求1所述的體表無創性檢測生物體組織的裝置，其特徵是所述光纖採樣附件由中紅外入射光纖及出射光纖、光纖ATR探頭組成，且入射光纖及出射光纖與光纖ATR探頭連接。
3.根據權利要求1所述的體表無創性檢測生物體組織的裝置，其特徵是所述光纖耦合部件由離軸拋物鏡及精密微調機構組成。
4.根據權利要求1所述的體表無創性檢測生物體組織的裝置，其特徵是所述紅外探測器部件由離軸拋物鏡、探測器及三維調節架組成。
5.根據權利要求1～4中任一項權利要求所述的裝置，其特徵是其中光纖耦合部件位於傅立葉變換紅外光譜儀的幹涉儀部件和紅外探測器部件之間，都固定在光學臺上，光纖採樣附件固定在光纖耦合部件上，且上述部件與幹涉儀部件及紅外光源部件構成完整的傅立葉變換紅外光譜儀光路系統。
6.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵是所述光纖和光纖ATR探頭外壁有不鏽鋼保護層。
7.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵是所述光纖ATR探頭的結構的形狀是圓錐形。
8.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵是所述光纖ATR探頭的結構的形狀是圓柱斜截面形。
9.根據權利要求1所述的體表無創性檢測生物體組織的裝置，其特徵是其中光路部分整體密封，光纖採樣附件與專用裝置的其它部分可以通過儀器外部的接頭連接或分離。
專利摘要本實用新型涉及一種體表無創性檢測生物體組織的裝置。該裝置包括傅立葉變換紅外光譜儀及一套附加裝置，所述附加裝置包括光纖採樣附件、光纖耦合部件、紅外探測器部件。應用本裝置可早期檢測活體生物組織分子結構的變化，且測試中受檢者無任何不適感覺。所述附加裝置位於傅立葉變換紅外光譜儀的左邊、右邊或中間。本裝置操作簡單，快速，準確，且對身體無任何傷害。
文檔編號A61B6/00GK2732185SQ20042000087
公開日2005年10月12日 申請日期2004年1月19日 優先權日2004年1月19日
發明者吳瑾光, 張元福, 徐怡莊, 李慶波, 翁詩甫, 楊麗敏, 張莉, 周維金, 楊展瀾, 李維紅, 武惠忠, 龔蓉曄, 高學軍, 徐端夫, 趙瑩, 徐智, 張能維, 王立新, 孫開華, 彭歆, 劉玉峰, 孫學軍, 凌曉峰, 周蘇 申請人:北京大學, 北京第二光學儀器廠