一种用于检测自由移动小鼠循环肿瘤细胞的光声系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于检测自由移动小鼠循环肿瘤细胞的光声系统。该光声系统包括光源组件、光纤耦合组件、微机电扫描振镜组件、信号采集组件、体表固定组件和计算机组件。该光声系统采用可穿戴设计，微机电扫描振镜控制激光进行往复式线扫描，扫描方向与血液流动方向垂直，往复式线扫描采集到单个细胞的每个截面，获得动态流动细胞的高分辨率图像，再基于血红细胞和黑色素肿瘤细胞对两种波长光的吸收差异，识别出自由移动小鼠的血液中的肿瘤细胞，并基于图像处理手段获取到细胞的形态、尺寸和浓度等信息。本发明专利技术提供了一种体积微小且能够长期穿戴的高分辨率光声细胞检测成像系统，能够长期检测小鼠体内的循环肿瘤细胞。够长期检测小鼠体内的循环肿瘤细胞。够长期检测小鼠体内的循环肿瘤细胞。

【技术实现步骤摘要】
一种用于检测自由移动小鼠循环肿瘤细胞的光声系统


[0001]本专利技术属于医疗成像设备
，具体涉及一种用于检测自由移动小鼠循环肿瘤细胞的光声系统。

技术介绍

[0002]目前，医学上用于检测循环肿瘤细胞主要分为液体活检、微流芯片、光学影像等方式。液体活检采用非侵入式取样，具备长期监测循环肿瘤细胞的潜力，但由于患肿瘤细胞含量极低，在少量血液样本时会存在一定的偶然性；此外，依赖外部靶向性标记的检测手段会存在一定的假阴性情况。新兴的微流芯片能够根据细胞的形状大、电荷、密度等物理性质区分肿瘤细胞，然而大部分肿瘤细胞的物理性质与白细胞差异并不显著，导致该检测方法特异性较低。光学影像方法可通过对特异的化学键检测或者借助荧光标记的方法对肿瘤细胞进行分辨与成像，但是需要对血液样本进行预处理，这使得检测过程往往较为繁琐；肿瘤细胞的分布不均导致检测结果存在一定偶然性。
[0003]光声成像与光学相干层析成像都可以实现对在体细胞的检测与成像，而光学相干层析技术的成像对比度较低，难以实现自动检测循环肿瘤细胞。基于光声效应的光声成像，根据生物组织中的内源性发色团吸收光能量后发出的超声波进行成像，具有与光学成像相同的高分辨率以及与超声成像相近的成像深度，并且可在无标记的情况下，提供高对比度的成像。
[0004]根据血红蛋白与黑色素对不同波长照明光的吸收差异，光声成像可以利用近红外波长的激发光轻松实现对血液中循环肿瘤细胞的检测。相比于液体活检、微流芯片，以及传统的光学影像，光声技术无需对血液进行处理甚至可以对在体血液进行检测。然而，基于机械扫描的光声显微成像系统的光路复杂，扫描与成像速度慢，难以实现对流动的细胞进行检测成像。基于振镜的光声显微成像系统虽然提升了扫描速度，但装置体积较大，不易移动，只能满足对麻醉或者运动受限的小鼠进行监控。现阶段的光声成像技术难以实现对自由活动小鼠体内的循环肿瘤细胞的长期监控。

技术实现思路

[0005]（一）要解决的技术问题本专利技术则提出了一种体积微小且能够长期穿戴的高分辨率光声细胞检测成像系统，以期解决现有光声成像技术无法长期检测自由移动小鼠体内的循环肿瘤细胞问题。
[0006]（二）技术方案本专利技术为解决其技术问题，提供了一种用于检测自由移动小鼠循环肿瘤细胞的光声系统，具体技术方案如下。
[0007]1. 一种用于检测自由移动小鼠循环肿瘤细胞的光声系统，其特征在于，该光声系统包括光源组件、光纤耦合组件、微机电扫描振镜组件、信号采集组件、体表固定组件和计算机组件；
所述光源组件包括两种纳秒脉冲激光器，用于提供波长分别为第一波长和第二波长的脉冲激光，两种波长的脉冲激光分别对应血红蛋白的吸收和黑色素的吸收；该光声系统根据血红细胞和黑色素肿瘤细胞对两种波长光的吸收差异，识别出血液中的肿瘤细胞；所述光纤耦合组件包括物镜、光纤、光纤固定器、三维平移台以及准直透镜，并与光源组件相连接；所述微机电扫描振镜组件包括双胶合透镜、直角棱镜、二向色镜、微机电扫描振镜和透光反声器件；采用可穿戴式设计，在光声成像过程中，微机电扫描振镜控制激光扫描，利用透光反声器件与多波长照明，实现对自由移动小鼠循环肿瘤细胞的检测；所述信号采集组件包括超声换能器、信号放大器和数据采集卡；信号采集组件与微机电扫描振镜组件相连，超声换能器固定在系统框架中；所述体表固定组件包括系统框架、皮肤固定片和连接模块；系统框架为3D打印外壳，其中包含扫描部件与采集部件；皮肤固定片用于将小鼠皮肤展开，并通过生物胶水固定在小鼠体表，皮肤固定片与系统框架通过内嵌的磁体进行磁性连接；计算机组件包括计算机，计算机内装有采集控制软件和数据处理软件，并装有控制微机电扫描振镜的信号发生卡与数据采集卡。
[0008]优选地，各个组件之间的连接关系和工作方式如下：第一波长纳秒脉冲激光器发出的脉冲激光和第二波长纳秒脉冲激光器发出的激光分别经过由物镜、小孔光阑组合形成的空间滤波器滤除杂散光，形成准直的高斯光束，再通过物镜聚焦进入单模光纤中；两个纳秒脉冲激光器的光纤末端与可变焦准直透镜相接，并固定在系统框架上；利用二向色镜将两个波长的光调至共轴，共轴后的两束照明光经过直角棱镜反射，并经高数值孔径的双胶合透镜聚焦后，照射在微机电扫描振镜上，光束与微型振镜的镜面成45度角；反射后的光经过透光反声器件后垂直聚焦在皮肤固定片粘贴的皮肤表面；聚焦的脉冲激光在微型振镜的驱动下，在超声探头响应范围内对目标物进行线扫描；皮肤血管内的肿瘤细胞产生的光声信号经透光反声器件反射到超声探测器表面被接收并转换为电信号，经过信号放大器后滤除噪声，得到高信噪比的光声信号后，由数据采集卡接收并存储于计算机中；计算机对采集的信号进行实时处理，提取得到血液中循环肿瘤细胞的信息。
[0009]优选地，该光声系统的微机电扫描振镜控制激光进行往复式线扫描，扫描方向与血液流动方向垂直；利用亚微米级步长的往复式线扫描精准扫描单个细胞的每个截面，将采集到的信号经过希尔伯特变换以及最大值投影法，得到细胞的截面图像；按照扫描顺序将截面图像进行排序，获得动态流动细胞的高分辨率图像，并基于图像处理手段获得细胞的形态尺寸及内部结构的细节信息。
[0010]优选地，该光声系统自动识别血液中的肿瘤细胞；具体地，基于获得的动态流动细胞的高分辨率图像，预先设置细胞尺寸阈值，将大于该细胞尺寸阈值的细胞初步识别为肿瘤细胞；针对初步识别为肿瘤细胞的结果对象，进一步设置光声信号幅值阈值，若其光声信号幅值大于该光声信号幅值阈值，将其最终识别为肿瘤细胞。
[0011]优选地，利用光声系统内置的计算机程序对检测到肿瘤细胞进行自动计数；与此同时，利用第一波长的激光对血液进行检测，基于图像信息计算出血管的直径以及三维信
息，基于光声多普勒方法计算出血液流速；基于计算得到血液流量信息以及计数得到的肿瘤细胞个数，求得血液中肿瘤细胞的浓度。
[0012]优选地，所述光源组件的第一波长采用532nm，第二波长采用770nm。
[0013]优选地，所述光源组件提供的两种脉冲激光的脉宽均为1ns
‑
2ns，重复频率均为50KHz。
[0014]优选地，所述光源组件两个脉冲纳秒激光器之间设置3
‑
8微秒的延时。
[0015]（三）有益效果相对于现有技术而言，本专利技术具备显著积极的技术效果，其有益效果至少体现在以下几个方面。
[0016]（1）本专利技术装置采用双波长照明机制，既可以检测血液内的循环肿瘤细胞，又可测量血管直径与血液流量，无需进行血液采样，可直接对在体小鼠进行长时间活体监控且不影响小鼠的正常活动。
[0017]（2）本专利技术装置与传统的光声显微镜相比，结构设计简单，连接紧凑，直接实现了小型化，另外系统价格低廉，调试和使用简单，可直接固定在小鼠体表，实现佩戴式成像，易于应用和推广。
[0018]（3）本专利技术的方法基于微机电扫描机制，采用电压控制微型振镜进行快速线扫描并使用超声探测器探测扫描轨迹上各个位置的光声信号进行图像重建，可实现快速高分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于检测自由移动小鼠循环肿瘤细胞的光声系统，其特征在于，该光声系统包括光源组件、光纤耦合组件、微机电扫描振镜组件、信号采集组件、体表固定组件和计算机组件；所述光源组件包括两种纳秒脉冲激光器，用于提供波长分别为第一波长和第二波长的脉冲激光，两种波长的脉冲激光分别对应血红蛋白的吸收和黑色素的吸收；该光声系统根据血红细胞和黑色素肿瘤细胞对两种波长光的吸收差异，识别出血液中的肿瘤细胞；所述光纤耦合组件包括物镜、光纤、光纤固定器、三维平移台以及准直透镜，并与光源组件相连接；所述微机电扫描振镜组件包括双胶合透镜、直角棱镜、二向色镜、微机电扫描振镜和透光反声器件；采用可穿戴式设计，在光声成像过程中，微机电扫描振镜控制激光扫描，利用透光反声器件与多波长照明，实现对自由移动小鼠循环肿瘤细胞的检测；所述信号采集组件包括超声换能器、信号放大器和数据采集卡；信号采集组件与微机电扫描振镜组件相连，超声换能器固定在系统框架中；所述体表固定组件包括系统框架、皮肤固定片和连接模块；系统框架为3D打印外壳，其中包含扫描部件与采集部件；皮肤固定片用于将小鼠皮肤展开，并通过生物胶水固定在小鼠体表，皮肤固定片与系统框架通过内嵌的磁体进行磁性连接；计算机组件包括计算机，计算机内装有采集控制软件和数据处理软件，并装有控制微机电扫描振镜的信号发生卡与数据采集卡。2.根据权利要求1所述的用于检测自由移动小鼠循环肿瘤细胞的光声系统，其特征在于，各个组件之间的连接关系和工作方式如下：第一波长纳秒脉冲激光器发出的脉冲激光和第二波长纳秒脉冲激光器发出的激光分别经过由物镜、小孔光阑组合形成的空间滤波器滤除杂散光，形成准直的高斯光束，再通过物镜聚焦进入单模光纤中；两个纳秒脉冲激光器的光纤末端与可变焦准直透镜相接，并固定在系统框架上；利用二向色镜将两个波长的光调至共轴，共轴后的两束照明光经过直角棱镜反射，并经孔径值为0.4
‑
0.6的高数值孔径双胶合透镜聚焦后，照射在微机电扫描振镜上，光束与微型振镜的镜面成45度角；反射后的光经过透光反声器件后垂直聚焦在皮肤固定片粘贴的皮肤表面；聚焦的脉冲激光在微型振镜的驱动下，在超声探头响应范围内对目标物进行线扫描；皮肤血管内的肿瘤细胞产生的光声信号经透光反声器件反射到超声探测器表...

【专利技术属性】
技术研发人员：奚磊，孙瑷蕙，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：