本實用新型涉及一種利用機體生物光子輻射進行乳腺癌早期篩查的系統。

背景技術：

生物系統的超微弱生物光子輻射(UPE)是自然界一個普遍的生命現象，是生物體固有的一種功能，主要來源于機體新陳代謝過程中生物分子從高能態向低能態的躍遷。這種光子發射極其微弱，對生物系統內、外環境的變化有高度的靈敏性，它攜帶著豐富的生命信息，與生物體的細胞分裂、氧化代謝、能量轉化、信息傳遞、生長調控、腫瘤發生及死亡等重要生命過程密切相關，為生命科學的研究帶來了新的動力和技術支持，已成為當前生物光子相關學科重要的研究方向之一，具有快速、靈敏、無損、可靠的優點。

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一，在全球范圍內已經成為威脅女性健康的頭號殺手。在我國，其發病率也呈逐年上升趨勢。早期發現、早期診斷、早期手術治療是降低死亡率、提高患者術后生存質量、改善預后的關鍵，而早期診斷無疑起著至關重要的作用。目前臨床上用于乳腺癌早期診斷的影像方法有超聲、鉬靶X線、近紅外影像診斷及MRI。其中，超聲因簡單、無創、可反復進行、適合任何年齡等優點已成為診斷乳腺疾病的常規檢查方法之一，但其有一定局限性，有研究表明，直徑大于2cm的腫瘤血流檢出率為100％，直徑小于1cm的腫瘤難以檢出血流信號，特別是小乳癌的誤診率較高；作為乳腺癌主流診斷技術的鉬靶軟X射線診斷是發現和檢查早期乳腺異常的一種較為敏感的方法，對大乳房和脂肪型乳房的診斷率高達95％以上，但不適合檢查小乳房和腺體組織致密的患者，不容易檢查出近胸壁的乳腺組織，而且其產生的放射線對正常人體細胞具有殺傷作用，一般認為35歲以下的正常人群的早期體檢篩查不宜用鉬靶，且每年的鉬靶軟X線檢查不應多于1次；而近紅外影像診斷是無損傷、可反復檢查的新診斷技術，但假陽性率偏高，目前受到醫學界的質疑；作為最新的乳腺疾病檢查手段，MRI對于乳腺癌檢查的敏感度較高，可達97.4％，單因檢查費用高昂以及對人體有損害，不作為乳腺癌“初篩”的主要檢查手段。因此，尋找一種既對肌體無損傷又足夠探測靈敏度和信息量的其他檢測方法作為初篩中其他診斷的輔助診斷和補充診斷具有重要意義。

當前關于生物光子輻射與腫瘤相關性的研究大都集中在分子、細胞和組織水平，而直接通過探測人體生物光子輻射的變化來進行腫瘤的早期篩查的研究尚未見報道。

技術實現要素：

針對上述現有技術，本實用新型的目的提供一種利用機體生物光子輻射進行乳腺癌早期篩查的系統，該篩查系統的靈敏度高、操作簡單、對人體無損，可用于乳腺癌的早期篩查，具有極大的應用前景。

為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種利用機體生物光子輻射進行乳腺癌早期篩查的系統，包括：

暗室，用于為機體自發光子輻射提供完全黑暗的環境，以消除外界光源的干擾；

光子探測裝置，用于將光信號轉換成電信號，對機體自發光子進行檢測；

可移動支架，所述可移動支架位于暗室內，包括支架本體和工作頭，所述光子探測裝置安裝在工作頭上；

數據處理裝置，用于接收來自光子探測裝置檢測到的機體自發光子輻射信息，并對信息進行處理：一方面計算不同部位的信號強度均值(K)及不同部位信號強度之間的比值(R)以消除不同個體間的差異，另一方面構建Fano因子曲線，對Fano因子曲線進行二階多項式擬合，得到基于Fano因子曲線的斜率和截距的乳腺癌判斷回歸方程；

Y＝p₀+p₁X+p₂X²

其中X表示不同時間間隔，Y表示不同時間間隔的F值，p₀是Fano因子曲線的截距，p₁是斜率。

綜合考慮上述計算指標，若待測者的上述兩種或兩種以上指標較正常人相比出現異常(K、P₀、P₁高于正常人，R出現明顯波動)，則判定待測者具有罹患乳腺癌的風險。

本實用新型中的“正常人”為生物學意義的健康人群，未患有乳腺癌。

需要說明的是，對于所獲得的數據而言，參數p₀和p₁已可從本質上描述Fano因子曲線的初始形狀，而參數p₂數值非常小，計算過程中常可忽略不計，因此，本實用新型將參數p₂忽略，不作為乳腺癌判斷的考察指標。

上述利用機體生物光子輻射進行乳腺癌早期篩查的系統，還包括：探測床，所述探測床位于暗室內，供待測者平躺進行自發光子探測檢查。

優選的，所述暗室的屋頂、地面和墻面均涂成黑色，暗室的門外設有黑色的門簾；進一步的，所述暗室的尺寸優選設計為2.7m×2m×2.6m(長×寬×高)，該尺寸設計一方面能夠滿足待測者的活動需求和光子探測裝置的檢測需求，另一方面，還能節約檢測的成本。

優選的，所述光子探測裝置包括：

光電倍增管(PMT)，包括光電發射陰極(光陰極)、聚焦電極、電子倍增極和電子收集極(陽極)；可以將微弱的光信號轉換成電信號。其工作原理是當光子打到光陰極時，光陰極即發射電子，這些電子在外磁場(或電場)的作用下逐漸加速，然后聚焦于第一次極。由于電子對次級的撞擊使其產生更多的電子，它們再被聚焦于第二次極。這樣，一般經十次以上倍增，放大倍數可達到10⁸～10¹⁰，最后放大后的電子信號被陽極接收并輸出，具有高增益、快速的時間響應、低暗計數率等特點。

制冷系統，所述制冷系統安裝在光電倍增管的周圍，用于對光電倍增管進行降溫，以達到降低系統噪聲的目的，進而提高了光電倍增管的靈敏度和準確度。

高壓電源，所述高壓電源的輸出電壓的調控范圍為+20V到+2000V。

光子計數器，所述光子計數器能把光電倍增管里的單個光電子通過內置放大器和甄別電路轉換成5V的數字信號顯示，具有高速電子線路，能實現10⁷s^-1的測量，擁有÷10和÷1兩檔，可根據所測信號的強度選擇其中一檔。

優選的，所述工作頭上設有垂直驅動電機和水平驅動電機，通過垂直驅動電機和水平驅動電機驅動，在支架本體上上下和水平移動；其中，可水平移動的距離為400mm，上下移動的距離為640mm。

所述垂直驅動電機的功率為90W，速比1:5；水平驅動電機功率30W，速比1:10。

所述乳腺癌判斷回歸方程的構建過程為：

(1)按式1和式2計算測得的機體自發生物光子輻射強度的均值(K)和方差(V)，

K_obs＝K_sig-K_bg (式1)

V_obs＝V_sig-V_bg (式2)；

其中，K_obs為測得的機體信號強度，K_sig為機體本身的信號強度，K_bg為系統本底+暗室噪聲強度；同樣，V_obs為測得的機體信號方差，V_sig為機體本身的信號方差，V_bg為系統本底+暗室噪聲方差；

(2)探測得到的信號(observe data)為時間間隔為50ms的數據，將50ms的數據點通過合并分別得到100ms，150ms，200ms，……，600s的不同時間間隔的數據；然后，分別計算這些不同時間間隔的數據的F值，以時間間隔為橫坐標，F值為縱坐標作圖得到的曲線為Fano因子曲線；再對Fano因子曲線進行二階多項式擬合，即得乳腺癌判斷回歸方程；

所述F值的計算公式為：

本實用新型的利用機體生物光子輻射進行乳腺癌早期篩查的系統的操作具體包括如下步驟：

(1)測試前準備：提前兩小時打開實驗室空調，溫度調節至25℃，環境濕度控制在40％-50％之間。同時打開光子探測裝置，設置相應的參數，探測系統噪聲的變化。

(2)測試過程：

1)待系統穩定后，首先測試系統的本底噪聲(BG)和系統本底+暗室噪聲(SE)；

2)噪聲探測完后，受試者進入暗室，躺在暗室中的床上，擺好位置，露出雙側乳房。

3)將左乳房指定的幾個部位分別正對光電倍增管，通過可移動支架調整光電倍增管到皮膚的距離為一定值，然后點擊“Measure”，開始計數，一個部位測試完后更換另一個部位，測試順序如下：左側乳房幾個部位→膻中穴→右側乳房相應的部位；

4)最后再次重復測試系統的本底噪聲(BG)和系統本底+暗室噪聲(SE)；

5)測量完成，數據導出，對比分析處理。

(3)數據處理：

計算的相關參數主要包括自發生物光子輻射的強度和Fano因子曲線的斜率和截距等。

①自發生物光子輻射強度的計算。首先將測得的自發生物光子輻射的強度減去系統本底噪聲和暗室噪聲，即(機體自發光子強度+系統本底噪聲強度+暗室噪聲強度)-(系統本底噪聲強度+暗室噪聲強度)，得到機體本身的發光強度，為了消除不同個體間由于多種不可控因素如體重等不同所導致的差異，我們計算左右乳房對應部位的自發生物光子輻射強度的比值以及左、右乳房幾個部位分別與膻中穴的自發生物光子輻射強度的比值。

②Fano因子曲線的斜率和截距。首先計算測得的機體自發生物光子輻射強度的均值(K)和方差(V)，如下：

K_obs＝K_sig-K_bg (1)

V_obs＝V_sig-V_bg (2)

其中，K_obs為測得的機體信號強度，K_sig為機體本身的信號強度，K_bg為系統本底+暗室噪聲強度；同樣，V_obs為測得的機體信號方差，V_sig為機體本身的信號方差，V_bg為系統本底+暗室噪聲方差。

我們探測得到的信號(observe data)為時間間隔為50ms的數據，將50ms的數據點通過合并分別得到100ms，150ms，200ms，……，600s的不同時間間隔的數據。然后，分別計算這些不同時間間隔的數據的F值，以時間間隔為橫坐標，F值為縱坐標作圖得到的曲線為Fano因子曲線。

Fano因子(F)的計算公式為：

最后，我們對Fano因子曲線進行二階多項式擬合，公式如下：

Y＝p₀+p₁X+p₂X² (4)

其中X表示不同時間間隔，Y表示不同時間間隔的F值，p₀是Fano因子曲線的截距，p₁是斜率。機體自發生物光子輻射信號的Fano因子曲線的斜率和截距可反映信號的整體特性，隨機體生理病理狀態不同而發生變化。

(4)結果分析。

對于乳腺癌患者來說，由于患病部位的代謝發生顯著改變，其患病側乳房所測得的自發生物光子輻射信號會隨之發生顯著的變化，所測得的左右乳房對應部位的自發生物光子輻射強度的比值以及左、右乳房幾個部位分別與膻中穴的自發生物光子輻射強度的比值與健康人相比發生明顯的偏離；同時，患病側乳房的自發生物光子輻射信號的Fano因子曲線的斜率和截距較未患病側亦發生明顯的偏離。正是基于此，乳房部位的自發生物光子輻射信號的探測可作為乳腺癌初篩中其他診斷的輔助診斷和補充診斷方法。

本實用新型中，根據對Fano因子曲線進行二階多項式擬合，得到的基于Fano因子曲線的斜率和截距的乳腺癌判斷回歸方程，將待測者的截距(p₀)和斜率(p₁)與正常人進行比較，并結合待測者幾個探測部位的所得到的強度均值(K)及不同部位之間強度的比值(R)，若待測者的上述兩種或兩種以上指標較正常人相比出現異常(K、P₀、P₁高于正常人，R出現明顯波動)，則判定待測者具有罹患乳腺癌的風險。

本實用新型的有益效果：

(1)由于生物機體的自發生物光子的強度及其微弱，在測量過程中又受到多種因素的影響，很難被儀器捕捉到；采用本實用新型的利用機體生物光子輻射進行乳腺癌早期篩查的系統能夠對機體的自發生物光子進行高靈敏度的檢測，可以用于指示人體健康狀態，診斷早期病理變化，具有快速、靈敏、可靠、對人體無損等優點，具有極大的應用前景。

(2)生物機體的自發生物光子輻射攜帶著豐富的生命信息，與機體的內部生理或病理狀態密切相關，但如何從自發生物光子所攜帶的眾多的生命信息中篩選出與疾病診斷有關的信息，一直是本領域的技術難點所在。本實用新型通過對機體的自發生物光子進行檢測，并對檢測到的自發生物光子信號進行處理，構建自發生物光子輻射信號的Fano因子曲線，首次建立了基于Fano因子曲線的斜率和截距對乳腺癌進行早期的篩查的方法，從而對是否患有乳腺癌進行初步診斷，可作為乳腺癌初篩中其他診斷的輔助診斷和補充診斷方法。

附圖說明

圖1：本實用新型的利用機體生物光子輻射進行乳腺癌早期篩查的系統的結構示意圖；其中，1：暗室，2：光子探測裝置，3：可移動支架，4：探測床，5：數據處理裝置；

圖2：光子探測裝置的結構示意圖；其中，2-1：光電倍增管，2-2：制冷系統，2-3：高壓電源，2-4：光子計數器；

圖3：可移動支架的結構示意圖；其中，3-1：支架本體，3-2：工作頭；

圖4：利用本實用新型的系統對乳腺癌進行早期篩查的操作示意圖；

圖5：利用本實用新型的系統對乳腺癌進行早期篩查的測試方法流程示意圖；

圖6：乳腺癌患者與正常人膻中穴生物光子輻射的Fano因子曲線的截距(A)與斜率(B)值；其中，1：乳腺癌患者的截距，2：正常人的截距，3：乳腺癌患者的斜率，4：正常人的斜率。

具體實施方式

結合實施例對本實用新型作進一步的說明，應該說明的是，下述實施例說明僅是為了解釋本實用新型，并不對其內容進行限定。

實施例1：

一種利用機體生物光子輻射進行乳腺癌早期篩查的系統，如圖1所示，包括：

暗室1，用于為機體自發光子輻射提供完全黑暗的環境，以消除外界光源的干擾；所述暗室1的屋頂、地面和墻面均涂成黑色，暗室1的門外設有黑色的門簾；所述暗室1的尺寸設計為2.7m×2m×2.6m(長×寬×高)，該尺寸設計一方面能夠滿足待測者的活動需求和光子探測裝置的檢測需求，另一方面，還能節約檢測的成本。

位于暗室1內的光子探測裝置2，用于將光信號轉換成電信號，對機體自發光子進行探測；該光子探測裝置2(結構示意圖如圖2所示)包括：

光電倍增管2-1(PMT)，該光電倍增管2-1包括光電發射陰極(光陰極)、聚焦電極、電子倍增極和電子收集極(陽極)；可以將微弱的光信號轉換成電信號。其工作原理是當光子打到光陰極時，光陰極即發射電子，這些電子在外磁場(或電場)的作用下逐漸加速，然后聚焦于第一次極。由于電子對次級的撞擊使其產生更多的電子，它們再被聚焦于第二次極。這樣，一般經十次以上倍增，放大倍數可達到10⁸～10¹⁰，最后放大后的電子信號被陽極接收并輸出，具有高增益、快速的時間響應、低暗計數率等特點。

制冷系統2-2，所述制冷系統2-2安裝在光電倍增管2-1的周圍，用于對光電倍增管2-1進行降溫，以達到降低系統噪聲的目的，進而提高了光電倍增管2-1的靈敏度和準確度。

高壓電源2-3，所述高壓電源2-3與光電倍增管2-1相連，高壓電源2-3的輸出電壓的調控范圍為+20V到+2000V。

光子計數器2-4，所述光子計數器2-4能把光電倍增管2-1里的單個光電子通過內置放大器和甄別電路轉換成5V的數字信號顯示，具有高速電子線路，能實現10⁷s^-1的測量，擁有÷10和÷1兩檔，可根據所測信號的強度選擇其中一檔。

可移動支架3，所述可移動支架3位于暗室1內，可移動支架3的結構示意圖如圖3所示，包括支架本體3-1和工作頭3-2，所述光子探測裝置2安裝在工作頭3-2上；工作頭3-2通過垂直驅動電機和水平驅動電機驅動，可在支架本體3-1上水平和上下移動；其中，可水平移動的距離為400mm，上下移動的距離為640mm。

所述垂直驅動電機的功率為90W，速比1:5；水平驅動電機功率30W，速比1:10。

探測床4，所述探測床4位于暗室1內，供待測者平躺進行自發光子探測檢查。

數據處理裝置5，用于接收來自光子探測裝置2檢測到的機體自發光子輻射強度信息，并對信息進行處理，構建Fano因子曲線，對Fano因子曲線進行二階多項式擬合，得到基于Fano因子曲線的斜率和截距的乳腺癌判斷回歸方程；

Y＝p₀+p₁X+p₂X²

其中X表示不同時間間隔，Y表示不同時間間隔的F值，p₀是Fano因子曲線的截距，p₁是斜率。

實施例2：

采用本實用新型實施例1的利用機體生物光子輻射進行乳腺癌早期篩查的系統的操作，具體包括如下步驟：

(1)測試前準備：提前兩小時打開實驗室空調，溫度調節至25℃，環境濕度控制在40％-50％之間。同時打開光子探測裝置，設置相應的參數，探測系統噪聲的變化。

(2)測試過程：

1)待系統穩定后，首先測試系統的本底噪聲(BG)和系統本底+暗室噪聲(SE)；

2)噪聲探測完后，受試者進入暗室，躺在暗室中的床上，擺好位置，露出雙側乳房。

3)將左乳房指定的幾個部位分別正對光電倍增管，通過可移動支架調整光電倍增管到皮膚的距離為一定值，然后點擊“Measure”，開始計數，一個部位測試完后更換另一個部位，測試順序如下：左側乳房幾個部位→膻中穴→右側乳房相應的部位；

4)最后再次重復測試系統的本底噪聲(BG)和系統本底+暗室噪聲(SE)；

5)測量完成，數據導出，對比分析處理。

(3)數據處理：

計算的相關參數主要包括自發生物光子輻射的強度和Fano因子曲線的斜率和截距等。

①自發生物光子輻射強度的計算。首先將測得的自發生物光子輻射的強度減去系統本底噪聲和暗室噪聲，即(機體自發光子強度+系統本底噪聲強度+暗室噪聲強度)-(系統本底噪聲強度+暗室噪聲強度)，得到機體本身的發光強度，為了消除不同個體間由于多種不可控因素如體重等不同所導致的差異，我們計算左右乳房對應部位的自發生物光子輻射強度的比值以及左、右乳房幾個部位分別與膻中穴的自發生物光子輻射強度的比值。

②Fano因子曲線的斜率和截距。首先計算測得的機體自發生物光子輻射強度的均值(K)和方差(V)，如下：

K_obs＝K_sig-K_bg (1)

V_obs＝V_sig-V_bg (2)

其中，K_obs為測得的機體信號強度，K_sig為機體本身的信號強度，K_bg為系統本底+暗室噪聲強度；同樣，V_obs為測得的機體信號方差，V_sig為機體本身的信號方差，V_bg為系統本底+暗室噪聲方差。

我們探測得到的信號(observe data)為時間間隔為50ms的數據，將50ms的數據點通過合并分別得到100ms，150ms，200ms，……，600s的不同時間間隔的數據。然后，分別計算這些不同時間間隔的數據的F值，以時間間隔為橫坐標，F值為縱坐標作圖得到的曲線為Fano因子曲線。

Fano因子(F)的計算公式為：

最后，我們對Fano因子曲線進行二階多項式擬合，公式如下：

Y＝p₀+p₁X+p₂X² (4)

其中X表示不同時間間隔，Y表示不同時間間隔的F值，p₀是Fano因子曲線的截距，p₁是斜率。機體自發生物光子輻射信號的Fano因子曲線的斜率和截距可反映信號的整體特性，隨機體生理病理狀態不同而發生變化。

(4)結果分析。

通過實驗研究發現，對于乳腺癌患者來說由于患病部位的代謝發生顯著改變，其患病側乳房所測得的自發生物光子輻射信號會隨之發生顯著的變化，患病側乳房的自發生物光子輻射信號的Fano因子曲線的斜率和截距較未患病側常發生明顯的增高趨勢，且患者膻中穴生物光子輻射信號的Fano因子曲線的斜率和截距明顯高于正常人(以膻中穴為例比較乳腺癌患者與正常人的自發生物光子輻射的Fano因子曲線的截距與斜率值得不同，如圖6：10個乳腺癌患者與正常人膻中穴生物光子輻射的Fano因子曲線的截距(A)與斜率(B)值所示)，從而對是否患有乳腺癌進行初步診斷，可作為乳腺癌初篩中其他診斷的輔助診斷和補充診斷方法。