CN119073911B - 一种基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统、方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统、方法和用途，包括手持式探头外壳、激光光源、光斑放大器、样品台、拉曼光纤探头、光谱仪和数据处理模块；所述手持式探头外壳将激光光源、光斑放大器和拉曼光纤探头固定为一整体，即大光斑空间偏移拉曼探头，设置于所述样品台上侧，所述拉曼光纤探头分别与所述光谱仪和所述数据处理模块电连接；所述激光光源通过光斑放大器平行出射激光，在待测样品表面得到直径至少1cm的光斑，所述拉曼光纤探头位于光斑边缘处。本发明满足了激光安全性，具有较大的生物组织内检测深度，可实现在不调整光斑中心与拉曼收集探头距离的前提下、检测到不同深度的组织内病灶。

Description

一种基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统、方法和 用途

技术领域

本发明涉及分子影像术领域，尤其涉及一种基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统、方法和用途。

背景技术

癌症严重威胁人体与动物的健康和生命安全，是死亡率较高的疾病之一。目前，手术切除仍是治疗癌症的最有效方法之一。肿瘤彻底根治性切除、达到期望的R0切除的要求，可使恶性肿瘤患者尽可能获得长期存活率。（1978年，美国肿瘤联合会（AJCC）首次引入残留肿瘤分级（R分级）概念，即残留肿瘤分级是评价恶性肿瘤切除后肿瘤残留状况的一个指标，以肿瘤完全切除（R0）、显微镜下残留（R1）和肿瘤肉眼残留（R2）表示。如今R分级已经广泛应用于胃癌、结直肠癌和非小细胞肺癌等恶性肿瘤切除的评估中。）术后如果残留肿瘤组织或细胞会导致局部种植性复发，甚至发生远处转移。在临床实践中, 由于肿瘤浸润和微小病灶的存在，肿瘤边缘通常很模糊，医生难以仅凭借肉眼判断，使得大多数的肿瘤手术切除难以达到根治性的R0切除，残留的病灶容易引起复发。

分子影像术中导航技术可以精准发现病灶及界定肿瘤的边界，帮助彻底切除肿瘤又尽可能保护正常组织结构。光学检测方法在手术导航应用中有实时、高灵敏、非电离辐射的巨大优势，基于光学的分子影像导航在人的肺癌、脑胶质瘤、乳腺癌、肝癌和结直肠癌等手术中均已成功实现应用。但是由于生物组织对光子具有强烈的散射吸收效应，目前广泛使用的吲哚菁绿二维术中荧光导航的成像深度通常只有几毫米，因此，我们希望应用拉曼技术开发具有高检测深度、且安全的光学检测和导航技术。

但是，拉曼光学检测技术面临着两个重要瓶颈：检测深度和激光安全性。首先，由于生物组织对光子具有强烈的散射吸收效应使得光子的组织穿透深度较低，目前广泛使用的背散射式拉曼检测技术通常只能检测几毫米厚的组织中的拉曼探针纳米颗粒，无法实现深层（比如>1 cm深的组织内）肿瘤病灶的检测。其次，传统的拉曼检测常为了获得较深的检测深度使用过高的激光功率，因为增加激光功率是提升信噪比和检测深度的直接方法，但这会导致单位面积中能量释放的速度提升使得功率密度远超临床激光最大许可照射剂量（Maximum Permeable Exposure，MPE），引起生物组织损伤。

空间偏移拉曼光谱（spatially offset Raman spectroscopy, SORS）是将激光光源与拉曼光纤探头（其用于接收拉曼信号）分离，两者之间存在一定的距离（即空间偏移量），从而实现收集样品深层拉曼信号的同时、有效地消除表层物质信号影响。其基本原理在于：由于光子在介质内部的迁移方向具有随机性, 与表层相比，内部产生的深层拉曼光子在扩散过程中更易于横向迁移, 因此，在不同空间偏移量处采集的拉曼光谱包含不同深度层的拉曼光子信息。

传统的SORS系统使用高斯光源，光斑通常较小（数百微米级），使得功率密度远超MPE，这可能造成组织永久性损伤，存在着激光安全性的问题。此外，随着激光光源与拉曼光纤探头间的空间偏移量增加，可检测的病灶的深度增加，Keller课题组曾确定3.5 mm的空间偏移量可以检测到深度在2 mm处的病灶。但用高斯光源时，随着空间偏移量的增加，拉曼光纤探头收集光子的效率呈对数衰减，这限制了空间偏移量（通常小于4 mm），进而导致检测深度有限。在此情况下，激光光源与拉曼光纤探头间的空间偏移量需要根据被测对象的深度进行动态调整，通过改变空间偏移量，来获得不同深度层的被测对象的拉曼信号；但是，实际手术过程中，病灶所处深度未知，因此传统的SORS系统并不适用于类似的手术场景。

其次，传统的SORS系统是将激光光源与拉曼光纤探头分置，整个系统不方便逐点移动检测。目前在离体组织上进行的SORS检测研究，主要通过移动组织来实现逐点检测，但这不便于医生操作，不适用于实际手术应用。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是激光剂量的功率强度不满足临床安全的要求、操作不便、组织穿透深度不足、检测深度范围有限，难以应用于临床。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统，包括手持式探头外壳、激光光源、光斑放大器、样品台、拉曼光纤探头、光谱仪和数据处理模块；

所述手持式探头外壳将激光光源、光斑放大器和拉曼光纤探头固定为一整体，即大光斑空间偏移拉曼探头，设置于所述样品台上侧，所述拉曼光纤探头分别与所述光谱仪和所述数据处理模块电连接；

所述激光光源通过光斑放大器平行出射激光，所述激光光源在待测样品表面可得到直径至少1 cm的光斑。所述拉曼光纤探头位于光斑边缘处。

本发明中大光斑空间偏移拉曼技术通过增加光斑直径（厘米级），相比于传统高斯激光（直径仅微米级），降低了单位面积的激光功率，满足了激光安全性要求，利于该技术向临床安全检测推进。

在本发明的较佳实施方式中，待测样品水平放置于所述样品台，所述手持式探头外壳与固定于其中的拉曼光纤探头在使用时贴在待测样品的表面，且垂直朝向于所述样品台。

本发明中，激光光源与拉曼光纤探头可以使用手持式探头外壳集成为一个小型的手术探头，并且将拉曼光纤探头固定于激光光斑边缘，便于医生操作实时检测扫描，满足操作的便捷性，可通过采集得到的拉曼信号的强弱判断被检测对象在待测样品中的二维位置。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述拉曼光纤探头位于激光光斑外，和光斑中各点的空间偏移量存在0~10 mm的距离，优选的，所述拉曼光纤探头和光斑中心的空间偏移量为4~6 mm，例如可以是4 mm、4.5 mm、5 mm、5.5 mm或6 mm。

本发明中，由于激发光源的光斑的直径足够大，因此将拉曼光纤探头置于光斑边缘处时，空间偏移量从0 至光斑直径不等。最大空间偏移量可达1 cm，检测深度高。同时，传统基于高斯激光的SORS系统的空间偏移量是固定的，仅对特定深度层的拉曼光子检测更具优势，因此需要不断调整空间偏移量来检测不同深度层的拉曼光子。本发明中使用大光斑作为激发光源，空间偏移量的范围较大，可以同时获得不同深度层的拉曼光子信息，实现检出较大深度范围的病灶。二维成像偏差较小（通常不超过2 mm）。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述光斑放大器包括扩束镜和准直镜。

在本发明的另一较佳实施方式中，待测样品中含有表面增强拉曼光谱探针造影剂，所述表面增强拉曼光谱探针造影剂包括拉曼探针纳米颗粒，所述拉曼探针纳米颗粒位于待测样品的待测区域内。

结合大光斑空间偏移拉曼技术与表面增强拉曼光谱探针造影剂的方法可实现前述淋巴结的无创定位检测，具有实时、无创、无电离辐射的优点。医生可以无创确定病灶的二维定位、淋巴结切除手术过程伤口小，患者受伤害小、预后快、并发症小。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述拉曼探针纳米颗粒包括纳米颗粒内核、拉曼报告分子中间层、银外壳和包裹在纳米颗粒上的保护层；

所述拉曼报告分子中间层包括有机荧光染料分子；

所述保护层包括二氧化硅、聚乙二醇或聚乳酸中的任意一种或至少两种的组合；

所述表面增强拉曼光谱探针造影剂的粒径范围为20~200 nm，例如可以是20 nm、50 nm、100 nm、150 nm、200 nm。

所述表面增强拉曼探针造影剂通过皮内注射，可以通过淋巴液的回流，进入淋巴系统，被动靶向到前哨淋巴结及继发淋巴结；并且，表面增强拉曼探针造影剂可通过表面修饰抗体、配体、DNA等物质与肿瘤细胞表面的特定分子或受体结合，主动靶向到肿瘤。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述激光光源的激光功率为200~210 mW，例如可以是200 mW、202 mW、204 mW、206 mW、208 mW或210 mW，单位面积激光功率为0.2~0.3W/cm^-2，例如可以是0.2 W/cm^-2、0.22 W/cm^-2、0.24 W/cm^-2、0.25 W/cm^-2、0.2645 W/cm^-2。所述激光光源的激光功率即为拉曼光纤探头的激光功率。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述拉曼光纤探头包括收集光纤组成的光纤束；

所述拉曼光纤探头的直径不超过3 mm。

第二方面，本发明提供了如所述基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统的方法，所述方法包括：

将待测样品水平放置于样品台，手持式探头外壳与固定于其中的拉曼光纤探头贴在待测样品的表面，且垂直朝向于样品台；

激光光源发出激光经光斑放大器放大后，垂直照射在待测样品上，拉曼光纤探头采集穿过待测样品的拉曼信号，再将信号传输到光谱仪和数据处理模块进行处理。

对采集的拉曼光谱做去基线等预处理，在处理后的光谱图中选取拉曼探针纳米颗粒的特征峰，通过比较不同位置的特征峰的强弱，认为特征峰最强的位置投影点下是病灶的位置。

第三方面，本发明提供了所述基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统的用途，所述基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统用于精准医疗检测。

本发明至少具有如下有益技术效果：

1.本发明提供的基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统，通过光斑放大器获得直径至少1 cm的激光光源，降低了单位激光功率密度，并最终达到临床激光安全剂量的标准，满足了系统检测激光安全性的前提。

2.本发明提供的基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统，采用手持式探头外壳将激光光源、光斑放大器和拉曼光纤探头固定为一整体，即大光斑空间偏移拉曼探头。本发明系统结构简单、操作便捷、环境适应广，可在不同场景下实现对病灶的精准定位及稳定成像。

3.本发明提供的基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统、方法和用途，以空间偏移拉曼技术为基础，通过光斑放大器获得了直径至少1 cm的大光斑，并且将拉曼光纤探头固定在光斑边缘，获得了至少1 cm的空间偏移量，提高对病灶的检测深度。本发明中拉曼光纤探头和光斑中各点的空间偏移量为0~ 10 mm，空间偏移量变化范围较大，可同时获得不同深度层的病灶的信息，并且来自不同深度层的拉曼信号强度差别小，实现了较大深度范围内病灶的检出。本发明采集的拉曼信号沿探头移动方向衰减平缓，在对病灶检出时，距离探头一定位置处的纳米颗粒的信号也可以被检测到，不容易遗漏微小病灶；在对病灶成像时，可减少采样点数，提高采样速率。本发明具有检测深度大、不改变空间偏移量时检测深度范围大、检测敏感性高、成像效率高的优点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的核壳结构表面增强拉曼光谱探针造影剂的结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的核壳结构表面增强拉曼光谱探针造影剂的透射电镜表征图；

图4是本发明的一个较佳实施例的核壳结构表面增强拉曼光谱探针造影剂的拉曼光谱图；

图5是本发明的不同实施例的基于蒙特卡洛模拟仿真获得的不同深度不同激光光斑的检测效果图。

图6是本发明的一个较佳实施例的基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统对注射到活体新西兰兔体内的表面增强拉曼探针造影剂示踪前哨淋巴结的效果图。

其中：

1-手持式探头外壳，2-激光光源，3-扩束镜，4-准直镜，5-待测样品，6-表面增强拉曼光谱探针造影剂，7-样品台，8-拉曼光纤探头，9-光谱仪，10-数据处理模块。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明提供了一种基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统，其特征在于，包括手持式探头外壳1，激光光源2、光斑放大器、样品台7、拉曼光纤探头8、光谱仪9和数据处理模块10；

所述手持式探头外壳1将激光光源2、光斑放大器和拉曼光纤探头8固定为一整体，设置于所述样品台7上侧，所述拉曼光纤探头8于所述光谱仪9连接，进而于所述数据处理模块10电连接；

所述激光光源2通过光斑放大器平行出射激光，在待测样品表面得到直径至少1cm的光斑，所述拉曼光纤探头8位于光斑边缘处。

光斑放大器由扩束镜3和准直镜4构成，用于将激光光源2处出射的高斯激光的光斑直径放大，并且使激光平行出射。扩束镜3使得出射的激光有一个小角度的偏移，根据激光出射的距离可以获得不同直径的光斑。

如图2-4所示，所述表面增强拉曼光谱探针造影剂包括拉曼探针纳米颗粒，其中拉曼探针纳米颗粒包括纳米颗粒内核、拉曼报告分子中间层、银外壳和包裹在纳米颗粒上的保护层；

所述拉曼报告分子中间层包括有机荧光染料分子；

所述保护层包括二氧化硅、聚乙二醇或聚乳酸中的任意一种或至少两种的组合；

所述表面增强拉曼光谱探针造影剂的粒径范围为20~200 nm，应用于生物成像时，具有信号强且重复性好的优点，可实现高灵敏和定量的目标物检测。

如图5所示，根据蒙特卡洛模拟仿真了大光斑空间偏移拉曼检测系统中、光斑直径对于生物组织内不同深度待测对象的检出效果。图5(A)展示了模拟的模型，横轴为拉曼光纤探头的位置，固定待测对象在X = 0 mm位置处。在生物组织表面，以1 mm的步长移动大光斑空间偏移拉曼探头。纵轴为采集的拉曼信号强度，其与收集的拉曼光子数成正比。图5(B)中，激光光斑直径较小，不同深度层的拉曼光子信号强度差别大，意味着其仅对特定深度层的信号检测具有优势。图5(C)中，提高光斑直径至1 cm，来自不同深度层的拉曼光子信号强度差别变小，意味着可检测到较大深度范围内的拉曼光子信息。同时，随着光斑直径的增加，拉曼信号沿拉曼光纤探头移动方向的衰减变得更平缓，意味着距离探头一定位置处的纳米颗粒的信号也可以被检测到，不容易遗漏微小病灶。

如图6所示，本发明的上述成像系统，采用大光斑空间偏移拉曼检测装置系统采集深层拉曼光子，实现了深穿透的检测方式，结合高灵敏的表面增强拉曼光谱探针造影剂，实现对深层肿瘤的拉曼光学检测，应用于对注射到活体新西兰兔体内的表面增强拉曼光谱探针造影剂进行对病灶定位。图6(A)是将150 μL的表面增强拉曼光谱探针造影剂注射于兔第二对乳头周围，按摩1 小时，等待表面增强拉曼光谱探针造影剂顺淋巴管流动到前哨淋巴结附近。然后，根据经验在前哨淋巴结附近的皮肤表面上进行逐点拉曼扫描。图6(B)是根据拉曼扫描获得的信息，以拉曼特征峰（1203 cm^-1）的强度，绘制出的二维热图，灰度越小，信号强度越大。图6(C)是根据图6(B)二维热图中灰度最小的点判断该点为前哨淋巴结在皮肤表面的投影点。图6(D)是从投影点处开刀，逐层去除覆盖在前哨淋巴结上的皮肤、肌肉等组织，最终暴露前哨淋巴结（用圈标出），实现了对表面增强拉曼光谱探针造影剂示踪的前哨淋巴结的无创定位和手术引导。

优选实施例，在对人体体内前哨淋巴结的无创定位、术中导航过程中，可选择常用的扇形扫描术式替代上述点阵扫描，大光斑空间偏移拉曼探头根据采集到的拉曼光谱中峰1203 cm^-1处的信号强度发出不同频率的声音，特征峰的信号强度越大，声音频率越大，医生在使用探头扫描过程中可根据探头声音频率较大（比如，我们对特征峰的强度设置一个阈值，检测到的信号强度大于某个阈值，探头声音频率较大），判断该位置投影点下附近存在前哨淋巴结，进行前哨淋巴结的切除手术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统，其特征在于，包括手持式探头外壳、激光光源、光斑放大器、样品台、拉曼光纤探头、光谱仪和数据处理模块；

所述手持式探头外壳将激光光源、光斑放大器和拉曼光纤探头固定为一整体，设置于所述样品台上侧，所述拉曼光纤探头分别与所述光谱仪和数据处理模块电连接；

所述激光光源通过光斑放大器平行出射激光，在待测样品表面得到直径至少1 cm的光斑，所述拉曼光纤探头位于光斑边缘处；

所述拉曼光纤探头位于光斑外。

2.如权利要求1所述基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统，其特征在于，待测样品水平放置于所述样品台，所述手持式探头外壳与固定于其中的拉曼光纤探头在使用时贴在待测样品的表面，且垂直朝向于所述样品台。

3.如权利要求1所述基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统，其特征在于，所述光斑放大器包括扩束镜和准直镜。

4.如权利要求1所述基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统，其特征在于，待测样品中含有表面增强拉曼光谱探针造影剂，所述表面增强拉曼光谱探针造影剂包括拉曼探针纳米颗粒，所述拉曼探针纳米颗粒位于待测样品的待测区域内；

所述拉曼探针纳米颗粒包括纳米颗粒内核、拉曼报告分子中间层、银外壳和包裹在纳米颗粒上的保护层。

5.如权利要求4所述基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统，其特征在于，所述拉曼报告分子中间层包括有机荧光染料分子；

所述保护层包括二氧化硅、聚乙二醇或聚乳酸中的任意一种或至少两种的组合；

所述表面增强拉曼光谱探针造影剂的粒径范围为20~200 nm。

6.如权利要求1所述基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统，其特征在于，所述激光光源的激光功率为200~210 mW，单位面积激光功率为0.2~0.3 W/cm^-2。

7.如权利要求1所述基于大光斑空间偏移拉曼探头的深层检测系统，其特征在于，所述拉曼光纤探头包括收集光纤组成的光纤束；

所述拉曼光纤探头的直径不超过3 mm。