阅读说明：本技术 一种离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置 (Off-body universal brain tumor biopsy and boundary determining device ) 是由 王茜蒨 腾格尔 相里文婷 于 2020-03-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置,属于医疗领域,解决了快速进行术中肿瘤活检和胶质瘤边界确定的难题,为推广激光诱导击穿光谱(LIBS)技术落地服务于脑肿瘤检测提供了基础。该离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置包括激光器准直和激发模块、载物台和夹持器模块、LIBS探针模块、光谱仪延迟收集模块和计算机处理分析模块共5个模块。所述LIBS探针模块可在载物台和夹持器模块上固定或取下,固定时为台式设备,可以实现离体组织的稳定诊断检测,取下时是手持式设备,可以实现在体胶质瘤浸润边界判定。该装置可以在临床术中完成对离体切除组织的病理检测和在体胶质瘤浸润边界的实施判定,不必变换操作区域,不必更换设备。(The invention relates to an off-body universal brain tumor biopsy and boundary determination device, belongs to the field of medical treatment, solves the problem of rapid intraoperative tumor biopsy and glioma boundary determination, and provides a basis for popularizing laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) technology for landing service for brain tumor detection. The on-body universal brain tumor biopsy and boundary determination device comprises 5 modules including a laser alignment and excitation module, a stage and holder module, a LIBS probe module, a spectrometer delay collection module and a computer processing and analysis module. The LIBS probe module can be fixed or taken down on the objective table and the clamp module, when the LIBS probe module is fixed, the LIBS probe module is a table type device, stable diagnosis and detection of isolated tissues can be achieved, when the LIBS probe module is taken down, the LIBS probe module is a handheld type device, and judgment of an infiltration boundary of a body glioma can be achieved. The device can complete the pathological detection of excised tissues in vitro and the implementation judgment of the infiltration boundary of the glioma in vivo in clinical operation without changing an operation area and replacing equipment.)

一种离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置

技术领域

本发明涉及一种离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置，属于医疗领域。

背景技术

当前恶性肿瘤的发病率逐年增高，根据中国国家癌症中心2019年发布全国癌症报告《被癌症困扰的中国家庭——中国癌症大数据权威报告》，在中国城市居民的主要致死原因中，恶性肿瘤占比已经上升到26％。5年平均相对生存率仅有40.5％，远低于发达国家水平。恶性肿瘤主要的治疗手段仍是手术切除。手术切除情况影响患者术后生存期及生存质量。因为手术前影像学诊断尚不能做到与术中情况高度一致，需要在术中进行病理活检，通常采用冰冻切片活检的方式，尽管该方式速度比传统病理检测更快，但仍需要10到30分钟，且冰冻使细胞内和细胞间液体形成锥刺，破坏部分组织形态结构，影响医生做出判断，病理活检诊断准确率不高。临床应用场合迫切需要一种能够实时快速进行病理诊断的辅助技术手段，为病理医生提供辅助意见。

同时，在脑肿瘤中，占较高占比的胶质瘤具有侵袭性，会从原发肿瘤区域向周边健康组织浸润性生长，浸润区域与健康组织形态相似，极难通过术中医生观察区分。神经外科现有的识别胶质瘤边界的技术存在一些弊端。如术中荧光显影，需较昂贵的荧光显微镜支持，荧光首次使用效果较好，随手术时间延长，后续效果下降，荧光显影剂不能完全排除对人体的副作用影响；术中彩超成像，仅仅显示肿瘤的轮廓，与真实情况有一定的差距；术中核磁成像，需昂贵的术中MRI及一体化手术室支持，短时间内难以全国普及，同时其成像基础以组织密度为主，不能完全反映真实情况。急需一种术中在体实时判断胶质瘤浸润边界的方法。

而激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)作为一种新兴的物质元素检测技术，目前已经在***物检测、临床医学样本检测、文化遗产鉴定、合金加工过程、太空探索和农业与食品分析等领域得到广泛研究和应用。其采用激光聚焦在待测物质表面，激发产生等离子体，通过探测等离子体冷却过程中产生的分立发光光谱，可以对物质进行判别分析或分类识别。对于元素组成相似度极高的不同物质，获得的LIBS光谱差异可能较细微。但随着近年来机器学习和人工智能算法的发展，LIBS结合机器学习算法为高相似度物质的鉴别分类提供了新方法。因此通过激光诱导击穿光谱技术进行组织区分，可以对不同种肿瘤活检也可以在术中检测肿瘤浸润边界。

因此，有必要研发一种能够根据激光诱导击穿光谱快速准确进行临床活检和术中实时胶质瘤边界判定的一体化装置。

发明内容

本发明的目的是为了解决临床肿瘤手术切除应用中，难以快速准确进行肿瘤病理活检和术中肿瘤边界确定，且病理检测和边界判定需要不同仪器设备在不同空间工作的难题，提供一种离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置。该装置适用于激光诱导击穿光谱技术进行脑肿瘤活检和边界判定，可台式工作进行立体切除组织的病理活检，可探针式工作，解决了激光诱导击穿光谱识别检测的实际应用问题。

为实现上述目的，本发明提供一种离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置，该脑肿瘤活检和边界确定装置包括：

1.激光器激发和准直模块。

所述激光器激发和准直模块包含准直激光器、激发激光器和光纤耦合器。准直激光器和激发激光器光路同轴，所发出的激光同轴，准直激光器采用低功率连续激光器、激发激光器采用较高能量脉冲激光器，二者所发出的激光同轴经过光纤耦合器进入光纤，传输到LIBS探针。

2.载物台和夹持器模块。

所述载物台和夹持器模块包含三维载物平移台和LIBS探针固定夹持器。该模块用于离体肿瘤的术中活检，三维载物平移台用于承载待活检肿瘤，其中平面两轴用于调整肿瘤局部活检位置，垂直纵轴用于调整探针到待测组织的聚焦距离。LIBS探针固定夹持器用于将探针固定在载物台上方，实现离体台式设备稳定检测。

3.LIBS探针模块。

所述LIBS探针模块包含探针手持式外壳、探针端激光控制按键、激发激光和准直激光传导光纤、等离子体发光收集光纤、显示屏和微处理器、滤光片和聚焦透镜或物镜。该模块用于诱导击穿等离子体发光，并实现等离子体发光的收集，可以固定在LIBS探针固定夹持器上，实现台式装置进行离体的肿瘤活检，也可以取下由主刀医生手持操作，在体随肿瘤切除同步进行脑胶质瘤浸润边界检测确定。准直激光经光纤进入探针后，通过传导光纤经聚焦透镜聚焦在待测组织表面，帮助操作人员寻找聚焦焦点距离。检测时，操作人员通过探针端激光控制按键控制激发激光输出或停止。等离子体被激发后，光谱仪通过延时器控制开始收集发光，等离子体发光经过滤光片，滤去激光和杂散光，进入收集光纤，经收集光纤进入光谱仪。

4.光谱仪延迟收集模块。

所述光谱仪延迟收集模块包含延时器和光谱仪，延时器控制光谱仪进行等离子体冷却发光收集，光谱仪收集经过探针收集光纤传来的光学信号，分光处理，并通过内置光电转换器件如CCD相机等转换为电信号，传递到计算机处理分析模块。

5.计算机处理分析模块。

所述计算机处理分析模块包含计算机和相关数据处理软件，对所获得的光谱信号进行处理，同时将处理诊断结果显示在计算机屏幕上。在探针式操作的情况下，诊断胶质瘤浸润边界进行判定，可以将程序处理模型集成于探针端显示屏和微处理器，便于术中在体应用，医生实时观察方便。

有益效果

激光诱导击穿光谱技术是目前组织识别与检测中具有潜力的分析方法之一，结合机器学习算法对没有显著区别的光谱数据也可达到较好诊断识别效果。但是在临床实际应用场合，尚没有成熟的应用设备。且现有的诊断技术，所需时间较长，活检与手术室不在同一位置，胶质瘤浸润边界判定困难。本发明所提出的一种离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置，让激光诱导击穿光谱技术可以落地应用于临床手术环境，且实现了活检诊断与术中边界判定装置的一体化，大大缩减了活检所需的时间，也提高了胶质瘤边界判定的便利性。不必变换操作区域，不必更换设备，节省了人力物力，解决了快速进行术中肿瘤活检和胶质瘤边界确定的难题，为推广激光诱导击穿光谱技术落地服务于脑肿瘤检测提供了基础。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为根据本发明的一个实施例的离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的LIBS探针模块示意图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例

图1示出了根据本发明的一个实施例的离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置示意图；图2示出了根据本发明的一个实施例的LIBS探针模块示意图。

如图1-图2所示，该离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置包括：

1.激光器激发和准直模块。

所述激光器激发和准直模块包含准直He-Ne激光器1、激发Nd:YAG激光器2和光纤耦合器3。准直He-Ne激光器位于激发Nd:YAG激光器后方，二者光路同轴，二者所发出的激光同轴经过光纤耦合器进入光纤4，传输到LIBS探针。

2.载物台和夹持器模块。

所述载物台和夹持器模块包含电动三维载物平移台8和LIBS探针固定夹持器6。该模块用于离体肿瘤的术中活检，电动三维载物平移台用于承载待活检肿瘤，其中平面两轴用于调整肿瘤局部活检位置，垂直纵轴用于调整探针到待测组织的聚焦距离，步进步长5μm，可以实现微区扫描和精准聚焦。LIBS探针固定夹持器用于将探针固定在载物台上方，实现离体台式设备稳定检测。

3.LIBS探针模块。

所述LIBS探针模块如图1所示为5，其具体实施方式如图2所示，包含探针手持式外壳12、探针端激光控制按键13、显示屏和微处理器14、等离子体发光收集光纤15、激发激光和准直激光传导光纤16、滤光片17和聚焦透镜18。该模块用于诱导击穿等离子体发光，并实现等离子体发光的收集，可以固定在LIBS探针固定夹持器6上，实现台式装置进行离体的肿瘤活检，也可以取下由主刀医生手持操作，在体随肿瘤切除同步进行脑胶质瘤浸润边界检测确定。准直激光经光纤进入探针后，通过传导光纤16经聚焦透镜18聚焦在待测组织表面，帮助操作人员寻找聚焦焦点距离。光斑最小最亮时达到聚焦位置。检测时，操作人员通过探针端激光控制按键13控制激发激光输出或停止。等离子体7被激发后，光谱仪10通过延时器9控制开始收集发光，等离子体发光经过滤光片17，滤去激光和杂散光，进入收集光纤15，经收集光纤进入光谱仪10。

4.光谱仪延迟收集模块。

所述光谱仪延迟收集模块包含延时器9和光谱仪10，延时器9控制光谱仪10进行等离子体冷却发光收集，光谱仪收集经过探针5的收集光纤15传来的光学信号，分光处理，并通过内置光电转换器件如CCD相机等转换为电信号，传递到计算机处理分析模块。

5.计算机处理分析模块。

所述计算机处理分析模块包含计算机11和相关数据处理软件，对所获得的光谱信号进行处理，同时将处理诊断结果显示在计算机屏幕上。在探针式操作的情况下，诊断胶质瘤浸润边界进行判定，可以将程序处理模型集成于探针端显示屏和微处理器14，便于术中在体应用，医生实时观察方便。

结果证明所提出的离在体通用的脑肿瘤活检和边界确定装置可以在临床术中完成对离体切除组织的病理检测和在体胶质瘤浸润边界的实施判定，不必变换操作区域，不必更换设备，节省了人力物力，解决了快速进行术中肿瘤活检和胶质瘤边界确定的难题。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。