阅读说明：本技术 一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置及使用方法 (Skin tumor early screening device based on fluorescence imaging and use method ) 是由 郑伟波 王少伟 刘清权 潘婧月 孙浩 陆卫 张涛 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置及使用方法,包括凸透镜、光源滤光片、激发光源、分束片、荧光滤光片、图像传感器,其特征在于,分束片将激发光的光路与接收荧光信号的光路集成到同一光路上,大幅简化装置结构。本发明的优点在于：利用同轴光照明,将激发光路和荧光接收光路集成到同一光轴中,简化了装置的结构,减小了装置的体积和重量。只要将该装置激发用的光照射到涂敷5-氨基酮戊酸的皮肤上并拍照成像,就可以通过皮肤的荧光成像情况,来快速诊断皮肤情况,并对肿瘤进行清晰成像和准确定位,为临床皮肤癌变的快速、早期诊断提供重要的技术支持和科学依据。(The invention discloses a skin tumor early screening device based on fluorescence imaging and a using method thereof. The invention has the advantages that: the coaxial light is used for lighting, and the excitation light path and the fluorescence receiving light path are integrated into the same optical axis, so that the structure of the device is simplified, and the volume and the weight of the device are reduced. As long as the excitation light of the device is irradiated on the skin coated with the 5-aminolevulinic acid and the photographing and imaging are carried out, the skin condition can be quickly diagnosed through the fluorescence imaging condition of the skin, the tumor can be clearly imaged and accurately positioned, and important technical support and scientific basis are provided for quick and early diagnosis of clinical skin canceration.)

一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置及使用方法

技术领域

本发明属于医疗检测技术领域，具体涉及一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置及使用发法。

皮肤肿瘤位于身体浅表层，在临床上主要由两个大类组成，黑色素瘤 (melanoma,MM)及非黑色素瘤(non-melanoma skin cancer,NMSC)。不管针对非黑色素肿瘤还是黑色素肿瘤，都应该重视早期筛查，如果能对早期肿瘤或癌前病变进行及时诊断并及时治疗，绝大多数患者的皮肤肿瘤进程可得到控制。

皮肤肿瘤的诊断方式包括组织病理活检及多种皮肤影像手段。组织病理活检是目前皮肤癌诊断的金标准。但组织病理活检具有很大局限性，例如，具有创伤性，会遗留下疤痕且有感染危险；疼痛、费时、费用高；仅能提供活检部位的信息；部分医院受限于条件无法开展组织病理活检；无法定量检测等缺点。对于早期皮肤肿瘤，组织病理活检则无法大规模采样应用。因为早期皮肤肿瘤病灶特征不明显，且为多发性疾病，无法准确定位，且对每一处疑似早期皮肤肿瘤病灶都进行组织病理活检不具备可行性。因此，最有效的手段是配合皮肤影像等辅助手段作病灶定位，并利用影像信息进行快速诊断。

现有皮肤影像手段众多，每种皮肤影像都能反映皮肤肿瘤的部分特征，但在皮肤肿瘤的定位方面都有一定的局限性。皮肤肿瘤特征的反映方面，皮肤镜能将皮肤肿瘤部位进行放大，反映肉眼难以识别的颜色和纹理特征；反射式共聚焦显微镜能突出皮肤肿瘤细胞尺度特征，高频超声能突出肿瘤在皮肤表面的深度信息等优点。但是，早期皮肤肿瘤的特性不明显，不易与正常皮肤区别，导致普通皮肤镜无法准确区分早期皮肤肿瘤部位与正常皮肤，且反射式共聚焦显微镜、高频超声探头视场较小，无法快速的大规模查看所有疑似肿瘤部位，目前的皮肤辅助影像手段在早期皮肤肿瘤的定位方面仍存在空白。

研究表明，皮肤肿瘤的代谢情况往往异常于正常组织，可以通过对肿瘤代谢物的特异性荧光标记区分早期皮肤肿瘤与正常组织。医用荧光诊断技术分为自体荧光与光敏剂介导荧光检测。自体荧光即利用组织本身产生的荧光进行检测，最常见的检测方式是用320nm-400nm波长的Wood灯检测白癜风、皮肤真菌感染、痤疮和银屑病等。光敏剂介导荧光检测则是利用特殊光敏剂药物激发荧光的检测方式，又称为光动力诊断(PhotodynamicDiagnosis，PDD)。它用特定光敏剂外敷于皮肤病灶处，使光敏剂在肿瘤内部高浓度聚集，再使用特定波长照射，使肿瘤部位产生荧光，进而可根据荧光的边界对肿瘤边界做出诊断。

发明内容

本发明公开了一种基于荧光成像的激发光与荧光接收同轴光路的皮肤肿瘤早期筛查装置及使用方法，通过对皮肤病灶处原卟啉的荧光成像检测，实现肿瘤的快速确诊与定位。

本发明采用光动力诊断原理进行肿瘤定位，选取5-氨基乙酰丙酸 (5-aminolevulinic acid，5-ALA)作为外敷的荧光诱导试剂。5-ALA是一种卟啉合成前躯体，5-ALA本身没有光敏特性，但5-ALA可以在线粒体内聚合形成具有光敏特性的原卟啉IX(protoporphyrin IX，PpIX)。原卟啉是血红素合成时的微量代谢产物，原卟啉不仅可以在肿瘤中高浓度聚集，并且能在近紫外光激发下发射近红外荧光，而近红外荧光具有穿透力较深和组织背景较低等优点，可以作为光动力的荧光物质。因此，可以通过在皮肤肿瘤病灶处外敷5-ALA 的方式，促进体内细胞合成原卟啉，使原卟啉聚集于肿瘤病灶处，再用光源激发原卟啉荧光的方法，对皮肤肿瘤进行荧光定位。在激发光下，原卟啉溶液产生峰位在635nm附近的荧光，并在700nm处有小波峰，在皮肤表面表现为砖红色。

本发明所公开的一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置，包括凸透镜1、光源滤光片2、激发光源3、分束片4、荧光滤光片5、图像传感器6，其中，激发光源3发出的光经过光源滤光片2，被分束片4反射，透过凸透镜 1后照射至待测物表面并激发待测物表面的荧光，待测物表面的荧光依次经过凸透镜1、分束片4、荧光滤光片5后被图像传感器6接收，激发光源3为同轴光源，经分束片4反射后的激发光光路与到达图像传感器6的接受光光路同轴。

所述的图像传感器6为响应可见-近红外波段的CCD芯片或CMOS芯片，用于获取皮肤表面激发的荧光信号或皮肤表面反射的光信号。

所述的激发光源3为蓝光光源、近紫外光源或紫外光源，用于激发皮肤表面的荧光，只要波长比荧光波长短的光源即可。

所述的光源滤光片2包括低通滤光片、带通滤光片和窄带滤光片，激发光源3在紫外到蓝光部分的信号能透过光源滤光片2，确保只有激发光源波段的光可以透过，而荧光波段的光不能透过。

所述的荧光滤光片5包括高通滤光片、带通滤光片和窄带滤光片，待测物荧光信号能透过荧光滤光片5，以确保激发光源波段的光不能透过来干扰荧光的采集。

所述的激发光源3信号经光源滤光片2、荧光滤光片5后，无法被图像传感器6感应。

当去掉光源滤光片2时，所述激发光源3发出的光，经过分束片4、荧光滤光片5后，已经被滤除干净、不会到达图像传感器6时，则可去掉光源滤光片2。

可选的，分束片4选用二向色滤光片，用于反射激发光源，同时待测物荧光信号能透过二向色滤光片。

当分束片4选用二向色滤光片，且去掉荧光滤光片5时，若所述激发光源 3的信号透过光源滤光片2后，被二向色滤光片完全反射至待测皮肤上、不会到达图像传感器6，则可去掉荧光滤光片5。

当分束片4选用二向色滤光片，且同时去掉光源滤光片2、荧光滤光片5 时，所述激发光源3的信号，会直接被二向色滤光片完全反射至待测皮肤处，则可同时去掉光源滤光片2和荧光滤光片5。

作为一种优选方案，前述的激发光源3位于凸透镜1焦距附近，且激发光源3和凸透镜1位置均可调节，从而能调节照射至待测物表面的光强和图像的清晰度。

一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置的一种使用方法，包括以下步骤：

1)待测皮肤准备：将浓度为5％-15％的5-氨基酮戊酸(5-ALA)避光外敷于待测皮肤上1-3小时。

2)荧光成像：打开本发明的荧光成像装置，照射到待测皮肤上，并获取荧光图像，通过荧光图像中是否有砖红色区域，即可快速判断是否存在皮肤肿瘤并准确定位。

其中，打开本发明的荧光成像装置后，激发光源3输出的光，经所述光源滤光片2、经所述分束片4反射，再经所述凸透镜1后均匀照射至待测物表面，激发待测物荧光信号，待测物发出的荧光依次经过所述凸透镜1、所述分束片4、荧光滤光片5后，被所述图像传感器6采集并输出。

本发明的创新性和优势在于，利用分束片及特定滤光片组合，将激发光源整合至装置摄像装置中，形成同轴光路，大幅简化了结构，在提供均匀照明的同时，减小了设备的体积；同时，在光源和荧光加入了滤光片，滤除了无效的杂光信号，提高了荧光图像的对比度；只用一个LED照明，降低了整个装置的功耗。另外，由于结构简单、体积小，可与超声等其他诊断集成实现多模式共同诊断，进一步显著提高皮肤肿瘤诊断的准确性。

下面结合附图和

具体实施方式

进行进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例中的基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置结构示意图。

图2为本发明实施例一中的滤光片透射谱及光强图，其中黑色实线是汞灯的光强，虚线是原卟啉PpIX荧光光强，点线是低通滤光片透射谱，点虚线是高通滤光片透射谱。

图3为本发明实施例二中的滤光片透射谱及光强图，其中黑色实线是LED 的光强，虚线是PpIX荧光光强，点虚线是高通滤光片透过率图。

图4为本发明实施例三中的滤光片透射谱及光强图，其中黑色实线是汞灯的光强，虚线是PpIX荧光光强，点线是低通滤光片透过率图，点虚线是二向色片在45°的透过率图。

图5为本发明实施例四中的滤光片透射谱及光强图，其中黑色实线是LED 的光强，虚线是PpIX荧光光强，点虚线是二向色片45°透过率图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

1.一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置

实施例一：

本实施例中，我们展示利用高、低通滤光片和分束片制作的基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置，选用汞灯作为激发光源。

一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置按照如图1所示装配，包括凸透镜1、低通滤光片2、汞灯光源3、分束片4、高通滤光片5、图像传感器6。这里低通滤光片作为光源滤光片，高通滤光片作为荧光滤光片，汞灯作为激发光源。该装置体积只有116cm³(3.5×3.5×9.5cm³)，重量在150g左右，功耗1.5W。

其中，凸透镜为焦距为3.76cm的镜片，其位置可上下调整；激发光源选用汞灯，其位置在凸透镜焦距处且可左右调整；图像传感器中的选用MT9P031 COMS芯片。

低通滤光片透过率、高通滤光片透过率、汞灯光强、原卟啉PpIX荧光强图如图2所示，其中黑色实线是汞灯的光强，虚线是原卟啉PpIX荧光光强，点线是低通滤光片透过率图，点虚线是高通滤光片透过率图。可以看出低通滤光片能透过汞灯光源发出的蓝紫光，将480nm以上的光滤除，而高通滤光片则将500nm以下的光滤除，透过PpIX荧光，这样激发光源的信号将不会被图像传感器探测到而干扰到皮肤的荧光信号。

实施例二：

本实施例中，我们展示利用高通滤光片和分束片制作的基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置，其中光源选用405nmLED光源。

一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置按照如图1所示装配，但由于选用LED光源作为激发光源，所以去掉了低通滤光片2，该装置包括凸透镜1、 LED光源3、分束片4、高通滤光片5、图像传感器6。这里低通滤光片作为光源滤光片，高通滤光片作为荧光滤光片。该装置体积只有116cm³(3.5×3.5× 9.5cm³)，重量在150g左右，功耗1.5W。

其中，凸透镜为焦距为3.76cm的镜片，其位置可上下调整；激发光源选用405nm的LED光源，其位置在凸透镜焦距处且可左右调整；图像传感器中的选用MT9P031 COMS芯片。

高通滤光片透过率、LED光源光强、原卟啉荧光强图如图3所示，其中黑色实线是LED的光强，虚线是PpIX荧光光强，点虚线是高通滤光片透过率图。可以看出高通滤光片能将光源发出的光滤除，透过PpIX荧光。

实施例三：

本实施例中，我们展示利用低通滤光片和二色相片制作的基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置，其中光源选用汞灯。

一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置按照如图1所示装配，由于选用二向色片替代分束片，所以去掉了高通滤光片5，该装置包括凸透镜1、低通滤光片2、汞灯光源3、二色相片4、图像传感器6。这里低通滤光片作为光源滤光片，高通滤光片作为荧光滤光片。该装置体积只有116cm³(3.5×3.5× 9.5cm³)，重量在150g左右，功耗1.5W。

其中，凸透镜为焦距为3.76cm的镜片，其位置可上下调整；激发光源选用汞灯光源，其位置在凸透镜焦距处且可左右调整；图像传感器中的选用 MT9P031 COMS芯片。

低通滤光片透过率、二色相片45°角透过率、汞灯光强、原卟啉荧光强图如图4所示，其中黑色实线是汞灯的光强，虚线是PpIX荧光光强，点线是低通滤光片透过率图，点虚线是二向色片在45°的透过率图。可以看出汞灯光源在480nm以上的光被低通滤光片截掉，高通滤光片则反射500nm以下的光， 500nm以上的光。

实施例四：

本实施例中，我们展示利用二向色片制作的基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置，其中光源选用405nmLED光源。

一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置由于用LED光源作为激发光源，用二向色片替代分束片，我们去掉了低通滤光片2、高通滤光片5，该装置包括凸透镜1、LED光源3、二向色片4、图像传感器6。体积只有116cm³(3.5 ×3.5×9.5cm³)，重量在150g左右，功耗1.5W。

其中，凸透镜为焦距为3.76cm的镜片，其位置可上下调整；激发光源选用405nm的LED光源，其位置在凸透镜焦距处且可左右调整；图像传感器中的选用MT9P031 COMS芯片。

二向色片透过率、LED光源光强、原卟啉荧光强图如图5所示，其中黑色实线是LED的光强，虚线是PpIX荧光光强，点虚线是二向色片45°透过率图。可以看出二向色片反射激发光，透过PpIX荧光。

2.一种基于荧光成像的皮肤肿瘤早期筛查装置的使用方法

1)待测物准备

选取两只无毛雌性SKH-1小鼠，其中一只为鳞状细胞癌原发瘤小鼠，另一只为正常小鼠作为对照组。将小鼠麻醉并置于暗室中，取原发瘤小鼠中一小块肉眼不可见的肿瘤皮肤区域，取对照组小鼠中相对应的位置，涂敷10％5-氨基酮戊酸(5-ALA)2小时。

2)肿瘤荧光成像

关闭所有外部光源，将小鼠置于本发明实施例二所述的装置下，打开装置中的LED光源，通过电脑显示荧光图像。结果显示，正常小鼠的荧光图像呈现暗红色，无异常现象；原发瘤小鼠的荧光图像有明显的亮红色斑点，该斑点即早期鳞状细胞癌肿瘤。实验表明，该皮肤肿瘤筛查装置能够快速、准确地诊断出皮肤肿瘤，并实现准确定位。