本發(fā)明涉及分子影像術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于大光斑空間偏移拉曼探頭的深層檢測(cè)系統(tǒng)、方法和用途。

背景技術(shù)：

1、癌癥嚴(yán)重威脅人體與動(dòng)物的健康和生命安全，是死亡率較高的疾病之一。目前，手術(shù)切除仍是治療癌癥的最有效方法之一。腫瘤徹底根治性切除、達(dá)到期望的r0切除的要求，可使惡性腫瘤患者盡可能獲得長(zhǎng)期存活率。(1978年，美國(guó)腫瘤聯(lián)合會(huì)(ajcc)首次引入殘留腫瘤分級(jí)(r分級(jí))概念，即殘留腫瘤分級(jí)是評(píng)價(jià)惡性腫瘤切除后腫瘤殘留狀況的一個(gè)指標(biāo)，以腫瘤完全切除(r0)、顯微鏡下殘留(r1)和腫瘤肉眼殘留(r2)表示。如今r分級(jí)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于胃癌、結(jié)直腸癌和非小細(xì)胞肺癌等惡性腫瘤切除的評(píng)估中。)術(shù)后如果殘留腫瘤組織或細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致局部種植性復(fù)發(fā)，甚至發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移。在臨床實(shí)踐中,由于腫瘤浸潤(rùn)和微小病灶的存在，腫瘤邊緣通常很模糊，醫(yī)生難以僅憑借肉眼判斷，使得大多數(shù)的腫瘤手術(shù)切除難以達(dá)到根治性的r0切除，殘留的病灶容易引起復(fù)發(fā)。

2、分子影像術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)可以精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)病灶及界定腫瘤的邊界，幫助徹底切除腫瘤又盡可能保護(hù)正常組織結(jié)構(gòu)。光學(xué)檢測(cè)方法在手術(shù)導(dǎo)航應(yīng)用中有實(shí)時(shí)、高靈敏、非電離輻射的巨大優(yōu)勢(shì)，基于光學(xué)的分子影像導(dǎo)航在人的肺癌、腦膠質(zhì)瘤、乳腺癌、肝癌和結(jié)直腸癌等手術(shù)中均已成功實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。但是由于生物組織對(duì)光子具有強(qiáng)烈的散射吸收效應(yīng)，目前廣泛使用的吲哚菁綠二維術(shù)中熒光導(dǎo)航的成像深度通常只有幾毫米，因此，我們希望應(yīng)用拉曼技術(shù)開(kāi)發(fā)具有高檢測(cè)深度、且安全的光學(xué)檢測(cè)和導(dǎo)航技術(shù)。

3、但是，拉曼光學(xué)檢測(cè)技術(shù)面臨著兩個(gè)重要瓶頸：檢測(cè)深度和激光安全性。首先，由于生物組織對(duì)光子具有強(qiáng)烈的散射吸收效應(yīng)使得光子的組織穿透深度較低，目前廣泛使用的背散射式拉曼檢測(cè)技術(shù)通常只能檢測(cè)幾毫米厚的組織中的拉曼探針納米顆粒，無(wú)法實(shí)現(xiàn)深層(比如>1cm深的組織內(nèi))腫瘤病灶的檢測(cè)。其次，傳統(tǒng)的拉曼檢測(cè)常為了獲得較深的檢測(cè)深度使用過(guò)高的激光功率，因?yàn)樵黾蛹す夤β适翘嵘旁氡群蜋z測(cè)深度的直接方法，但這會(huì)導(dǎo)致單位面積中能量釋放的速度提升使得功率密度遠(yuǎn)超臨床激光最大許可照射劑量(maximum?permeable?exposure，mpe)，引起生物組織損傷。

4、空間偏移拉曼光譜(spatially?offset?raman?spectroscopy,sors)是將激光光源與拉曼光纖探頭(其用于接收拉曼信號(hào))分離，兩者之間存在一定的距離(即空間偏移量)，從而實(shí)現(xiàn)收集樣品深層拉曼信號(hào)的同時(shí)、有效地消除表層物質(zhì)信號(hào)影響。其基本原理在于：由于光子在介質(zhì)內(nèi)部的遷移方向具有隨機(jī)性,與表層相比，內(nèi)部產(chǎn)生的深層拉曼光子在擴(kuò)散過(guò)程中更易于橫向遷移,因此，在不同空間偏移量處采集的拉曼光譜包含不同深度層的拉曼光子信息。

5、傳統(tǒng)的sors系統(tǒng)使用高斯光源，光斑通常較小(數(shù)百微米級(jí))，使得功率密度遠(yuǎn)超mpe，這可能造成組織永久性損傷，存在著激光安全性的問(wèn)題。此外，隨著激光光源與拉曼光纖探頭間的空間偏移量增加，可檢測(cè)的病灶的深度增加，keller課題組曾確定3.5mm的空間偏移量可以檢測(cè)到深度在2mm處的病灶。但用高斯光源時(shí)，隨著空間偏移量的增加，拉曼光纖探頭收集光子的效率呈對(duì)數(shù)衰減，這限制了空間偏移量(通常小于4mm)，進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)深度有限。在此情況下，激光光源與拉曼光纖探頭間的空間偏移量需要根據(jù)被測(cè)對(duì)象的深度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過(guò)改變空間偏移量，來(lái)獲得不同深度層的被測(cè)對(duì)象的拉曼信號(hào)；但是，實(shí)際手術(shù)過(guò)程中，病灶所處深度未知，因此傳統(tǒng)的sors系統(tǒng)并不適用于類似的手術(shù)場(chǎng)景。

6、其次，傳統(tǒng)的sors系統(tǒng)是將激光光源與拉曼光纖探頭分置，整個(gè)系統(tǒng)不方便逐點(diǎn)移動(dòng)檢測(cè)。目前在離體組織上進(jìn)行的sors檢測(cè)研究，主要通過(guò)移動(dòng)組織來(lái)實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)檢測(cè)，但這不便于醫(yī)生操作，不適用于實(shí)際手術(shù)應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是激光劑量的功率強(qiáng)度不滿足臨床安全的要求、操作不便、組織穿透深度不足、檢測(cè)深度范圍有限，難以應(yīng)用于臨床。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于大光斑空間偏移拉曼探頭的深層檢測(cè)系統(tǒng)，包括手持式探頭外殼、激光光源、光斑放大器、樣品臺(tái)、拉曼光纖探頭、光譜儀和數(shù)據(jù)處理模塊；

3、所述手持式探頭外殼將激光光源、光斑放大器和拉曼光纖探頭固定為一整體，即大光斑空間偏移拉曼探頭，設(shè)置于所述樣品臺(tái)上側(cè)，所述拉曼光纖探頭分別與所述光譜儀和所述數(shù)據(jù)處理模塊電連接；

4、所述激光光源通過(guò)光斑放大器平行出射激光，所述激光光源在待測(cè)樣品表面可得到直徑至少1cm的光斑。所述拉曼光纖探頭位于光斑邊緣處。

5、本發(fā)明中大光斑空間偏移拉曼技術(shù)通過(guò)增加光斑直徑(厘米級(jí))，相比于傳統(tǒng)高斯激光(直徑僅微米級(jí))，降低了單位面積的激光功率，滿足了激光安全性要求，利于該技術(shù)向臨床安全檢測(cè)推進(jìn)。

6、在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，待測(cè)樣品水平放置于所述樣品臺(tái)，所述手持式探頭外殼與固定于其中的拉曼光纖探頭在使用時(shí)貼在待測(cè)樣品的表面，且垂直朝向于所述樣品臺(tái)。

7、本發(fā)明中，激光光源與拉曼光纖探頭可以使用手持式探頭外殼集成為一個(gè)小型的手術(shù)探頭，并且將拉曼光纖探頭固定于激光光斑邊緣，便于醫(yī)生操作實(shí)時(shí)檢測(cè)掃描，滿足操作的便捷性，可通過(guò)采集得到的拉曼信號(hào)的強(qiáng)弱判斷被檢測(cè)對(duì)象在待測(cè)樣品中的二維位置。

8、在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述拉曼光纖探頭位于激光光斑外，和光斑中各點(diǎn)的空間偏移量存在0～10mm的距離，優(yōu)選的，所述拉曼光纖探頭和光斑中心的空間偏移量為4～6mm，例如可以是4mm、4.5mm、5mm、5.5mm或6mm。

9、本發(fā)明中，由于激發(fā)光源的光斑的直徑足夠大，因此將拉曼光纖探頭置于光斑邊緣處時(shí)，空間偏移量從0至光斑直徑不等。最大空間偏移量可達(dá)1cm，檢測(cè)深度高。同時(shí)，傳統(tǒng)基于高斯激光的sors系統(tǒng)的空間偏移量是固定的，僅對(duì)特定深度層的拉曼光子檢測(cè)更具優(yōu)勢(shì)，因此需要不斷調(diào)整空間偏移量來(lái)檢測(cè)不同深度層的拉曼光子。本發(fā)明中使用大光斑作為激發(fā)光源，空間偏移量的范圍較大，可以同時(shí)獲得不同深度層的拉曼光子信息，實(shí)現(xiàn)檢出較大深度范圍的病灶。二維成像偏差較小(通常不超過(guò)2mm)。

10、在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述光斑放大器包括擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直鏡。

11、在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，待測(cè)樣品中含有表面增強(qiáng)拉曼光譜探針造影劑，所述表面增強(qiáng)拉曼光譜探針造影劑包括拉曼探針納米顆粒，所述拉曼探針納米顆粒位于待測(cè)樣品的待測(cè)區(qū)域內(nèi)。

12、結(jié)合大光斑空間偏移拉曼技術(shù)與表面增強(qiáng)拉曼光譜探針造影劑的方法可實(shí)現(xiàn)前述淋巴結(jié)的無(wú)創(chuàng)定位檢測(cè)，具有實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)、無(wú)電離輻射的優(yōu)點(diǎn)。醫(yī)生可以無(wú)創(chuàng)確定病灶的二維定位、淋巴結(jié)切除手術(shù)過(guò)程傷口小，患者受傷害小、預(yù)后快、并發(fā)癥小。

13、在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述拉曼探針納米顆粒包括納米顆粒內(nèi)核、拉曼報(bào)告分子中間層、銀外殼和包裹在納米顆粒上的保護(hù)層；

14、所述拉曼報(bào)告分子中間層包括有機(jī)熒光染料分子；

15、所述保護(hù)層包括二氧化硅、聚乙二醇或聚乳酸中的任意一種或至少兩種的組合；

16、所述表面增強(qiáng)拉曼光譜探針造影劑的粒徑范圍為20～200nm，例如可以是20nm、50nm、100nm、150nm、200nm。

17、所述表面增強(qiáng)拉曼探針造影劑通過(guò)皮內(nèi)注射，可以通過(guò)淋巴液的回流，進(jìn)入淋巴系統(tǒng)，被動(dòng)靶向到前哨淋巴結(jié)及繼發(fā)淋巴結(jié)；并且，表面增強(qiáng)拉曼探針造影劑可通過(guò)表面修飾抗體、配體、dna等物質(zhì)與腫瘤細(xì)胞表面的特定分子或受體結(jié)合，主動(dòng)靶向到腫瘤。

18、在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述激光光源的激光功率為200～210mw，例如可以是200mw、202mw、204mw、206mw、208mw或210mw，單位面積激光功率為0.2～0.3w/cm-2，例如可以是0.2w/cm-2、0.22w/cm-2、0.24w/cm-2、0.25w/cm-2、0.2645w/cm-2。所述激光光源的激光功率即為拉曼光纖探頭的激光功率。

19、在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述拉曼光纖探頭包括收集光纖組成的光纖束；

20、所述拉曼光纖探頭的直徑不超過(guò)3mm。

21、第二方面，本發(fā)明提供了如所述基于大光斑空間偏移拉曼探頭的深層檢測(cè)系統(tǒng)的方法，所述方法包括：

22、將待測(cè)樣品水平放置于樣品臺(tái)，手持式探頭外殼與固定于其中的拉曼光纖探頭貼在待測(cè)樣品的表面，且垂直朝向于樣品臺(tái)；

23、激光光源發(fā)出激光經(jīng)光斑放大器放大后，垂直照射在待測(cè)樣品上，拉曼光纖探頭采集穿過(guò)待測(cè)樣品的拉曼信號(hào)，再將信號(hào)傳輸?shù)焦庾V儀和數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理。

24、對(duì)采集的拉曼光譜做去基線等預(yù)處理，在處理后的光譜圖中選取拉曼探針納米顆粒的特征峰，通過(guò)比較不同位置的特征峰的強(qiáng)弱，認(rèn)為特征峰最強(qiáng)的位置投影點(diǎn)下是病灶的位置。

25、第三方面，本發(fā)明提供了所述基于大光斑空間偏移拉曼探頭的深層檢測(cè)系統(tǒng)的用途，所述基于大光斑空間偏移拉曼探頭的深層檢測(cè)系統(tǒng)用于精準(zhǔn)醫(yī)療檢測(cè)。

26、本發(fā)明至少具有如下有益技術(shù)效果：

27、1.本發(fā)明提供的基于大光斑空間偏移拉曼探頭的深層檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)光斑放大器獲得直徑至少1cm的激光光源，降低了單位激光功率密度，并最終達(dá)到臨床激光安全劑量的標(biāo)準(zhǔn)，滿足了系統(tǒng)檢測(cè)激光安全性的前提。

28、2.本發(fā)明提供的基于大光斑空間偏移拉曼探頭的深層檢測(cè)系統(tǒng)，采用手持式探頭外殼將激光光源、光斑放大器和拉曼光纖探頭固定為一整體，即大光斑空間偏移拉曼探頭。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷、環(huán)境適應(yīng)廣，可在不同場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶的精準(zhǔn)定位及穩(wěn)定成像。

29、3.本發(fā)明提供的基于大光斑空間偏移拉曼探頭的深層檢測(cè)系統(tǒng)、方法和用途，以空間偏移拉曼技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)光斑放大器獲得了直徑至少1cm的大光斑，并且將拉曼光纖探頭固定在光斑邊緣，獲得了至少1cm的空間偏移量，提高對(duì)病灶的檢測(cè)深度。本發(fā)明中拉曼光纖探頭和光斑中各點(diǎn)的空間偏移量為0～10mm，空間偏移量變化范圍較大，可同時(shí)獲得不同深度層的病灶的信息，并且來(lái)自不同深度層的拉曼信號(hào)強(qiáng)度差別小，實(shí)現(xiàn)了較大深度范圍內(nèi)病灶的檢出。本發(fā)明采集的拉曼信號(hào)沿探頭移動(dòng)方向衰減平緩，在對(duì)病灶檢出時(shí)，距離探頭一定位置處的納米顆粒的信號(hào)也可以被檢測(cè)到，不容易遺漏微小病灶；在對(duì)病灶成像時(shí)，可減少采樣點(diǎn)數(shù)，提高采樣速率。本發(fā)明具有檢測(cè)深度大、不改變空間偏移量時(shí)檢測(cè)深度范圍大、檢測(cè)敏感性高、成像效率高的優(yōu)點(diǎn)。

30、以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。