CN110681070A - 一种可个性化调控的光动力治疗光源及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可个性化调控的光动力治疗光源及其调控方案，其包括卤钨灯、第一滤光片轮、液晶导光管、第一半透半反镜、荧光激发激光光源、第一漫射体、反射镜、光动力治疗激光光源、第二漫射体、第二半透半反镜、数字微镜阵列、投影镜头，第三半透半反镜、病变组织、第二滤光片轮、CMOS相机和计算机组成。该光源可在识别病灶形状和大小的基础上，定量检测病变组织的光学特性参数、病变组织中的光敏剂浓度，评估特定波长光照在病变组织中的穿透深度和单线态氧产量，实现根据病灶特点个性化地调控光动力治疗激光光照的光斑形状和大小、光照的功率和光照的时长。

Description

一种可个性化调控的光动力治疗光源及调控方法

技术领域

本发明涉及光动力治疗技术领域，具体涉及一种可个性化调控的光动力治疗光源及调控方法。

背景技术

光动力疗法(Photodynamic therapy,PDT)是在特定波长的光照下，靶组织中的光敏剂和分子氧经过一系列光物理、光化学反应产生活性氧物质(Reactive oxygenspecies，ROS)，从而选择性损伤靶组织的靶向治疗技术。PDT因具有作用精确、毒副作用小、可重复治疗等优点，已广泛应用于恶性肿瘤、皮肤疾病以及感染性疾病的治疗。光源作为PDT治疗的关键要素之一，其发光波长、照光方式和光照剂量直接影响疗效。激光光源因其单色性、方向性好和亮度高在目前商业化的光动力治疗仪中广泛使用。不同病人有着不同的病灶形状和病灶面积，调控光动力治疗光在靶组织处的辐照范围和辐照功率是避免对周围正常组织的光损伤、实现PDT精准治疗的有效手段之一。

目前临床上进行光动力治疗光照时，主要根据医生的主观经验，采用单一的治疗光剂量方案，并采用对病灶周围的正常组织进行物理遮挡的方式进行光动力光照，这种耗时的非精准治疗方案阻碍了PDT的应用推广。如何针对不同病灶的特点，进行个性化的光照范围和光照剂量的调控是提高PDT疗效的最佳途径。

发明内容

本发明提供了一种可个性化调控的光动力治疗光源及调控方法。在识别病灶形状和大小的基础上，定量检测病变组织的光学特性参数、病变组织中的光敏剂浓度，评估特定波长光照在病变组织中的穿透深度和单线态氧产量，实现优化调控光动力治疗激光光照的光斑形状和大小、光照的功率和光照的时长。

本发明所采用的技术方案是：一种可个性化调控的光动力治疗光源，其特征在于：包括卤钨灯、第一滤光片轮、液晶导光管、第一半透半反镜、荧光激发激光光源、第一漫射体、第二半透半反镜、光动力治疗激光光源、第二漫射体、反射镜、数字微镜阵列、投影镜头、第三半透半反镜、病变组织、第二滤光片轮、CMOS相机和计算机组成；所述卤钨灯发出光经过第一滤光片轮和液晶导光管形成均匀光照至第一半透半反镜；所述荧光激发激光光源发出光经过第一漫射体后成均匀光斑照射至第二半透半反镜，由第二半透半反镜反射至第一半透半反镜；通过第一半透半反镜的光束射至数字微镜阵列，经过投影镜头出射至第三半透半反镜，射至病变组织后，再经第三半透半反镜反射至第二滤光片轮最终射入CMOS相机；所述CMOS相机将采集到的图像信息传递至计算机，计算机发出调控指令至数字微镜阵列和光动力治疗激光光源，数字微镜阵列根据计算机指令加载病灶形状图像并调节微镜阵列，光动力治疗激光光源根据调控指令调控光照功率和光照时间，光动力治疗激光光源发射的光束通过第二漫射体后成均匀光斑出射，出射激光依次经过反射镜、第二半透半反镜、第一半透半反镜、数字微镜阵列、投影镜头和第三半透半反镜，在病变组织表面产生特定功率和光斑形状的治疗光照。

进一步的，所述卤钨灯发射光的波长为400-2200nm。

进一步的，所述第一滤光片轮放置不同中心波长的带通滤光片并保留一个无滤光片的通光孔，所述带通滤光片的中心波长分别对应于光敏剂荧光的最佳激发波长和最佳发射波长。

进一步的，所述荧光激发激光光源的波长对应于光敏剂的最佳激发波长。

进一步的，所述光动力治疗激光光源的波长根据光敏剂的摩尔消光系数和吸收峰确定。

进一步的，所述数字微镜阵列上的微镜在电子开关作用下，可加载计算机处理生成的病灶形状图，将照射在其上的光斑形成与病灶形状相同的光斑反射至投影镜头；投影镜头将光斑投影在病灶表面上形成特定光斑形状的光动力光照。

进一步的，所述第二滤光片轮放置长波通滤光片并保留一个无滤光片的通光孔，所述长波通滤光片的通光波长大于荧光激发激光光源的波长。

本发明可个性化调控的光动力治疗光源的调控方法，其包括以下步骤：

步骤1)：开启卤钨灯，将第一滤光片轮和第二滤光片轮均旋转至无滤光片的通光孔，卤钨灯发射的光对病变组织进行照明，通过CMOS相机采集待测病变组织的白光图像，对所获得白光图像进行自动阈值选取的二值化处理，获得病灶的形状和大小，确定此病灶形状与大小为治疗光照的光斑形状与大小；

步骤2)：保持卤钨灯开启，将第一滤光片轮旋转至中心波长与光敏剂荧光激发波长相同的带通滤光片，采用特定空间频率(f_x，f_y)不同相位θ＝[0,2π/3,4π/3]的结构光照射光学参数已知的模拟液，通过CMOS相机获取模拟液的三幅漫反射光图像I₁,I₂,I₃，

步骤3)：采用相同的步骤2)，对待测的病变组织获取M_AC,sample(x,y,f_x,f_y)，由病变组织的调制函数M_AC,sample(x,y,f_x,f_y)与已知光学特性的模拟液的调制函数M_AC,ref(x,y,f_x,f_y)之比再乘以已知的漫反射率R_d,ref，获得校准后的组织真实反射率R_d,ex，

步骤4)：将第一滤光片轮旋转至中心波长与光敏剂荧光发射波长相同的带通滤光片，采用相同的步骤3)获得病变组织的漫反射率R_d,em，

步骤5)：采用查表法获得病变组织在荧光激发波长和荧光发射波长处的光学特性参数，将获得的光学特性参数用于数学仿真，确定治疗光的穿透深度和特定治疗深度的光能量；

步骤6)：关闭卤钨灯，向病变组织注射光敏剂，待光敏剂在病变组织积聚，开启荧光激发激光光源，将第二滤光片轮旋转至可滤除荧光激发激光信号的长波通滤光片处，对病变组织进行荧光成像，获取荧光图像F_measured，病变组织的本征荧光信息F_intrinsic，

病变组织的光敏剂浓度[PS]与本征荧光强度为线性关系，表示为：

其中Q_ex,em是相应激发波长激发下光敏剂的荧光量子产率，ε_ex,em是相应激发波长激发下光敏剂的摩尔消光系数；采用所测量的光敏剂浓度进行数学仿真，计算获得随时间变化的单线态氧产量，确定治疗光照所需的功率和光照的时间；

步骤7)：开启光动力治疗激光光源，根据所确定的治疗光照的图像形状与大小、治疗光照的功率和治疗光照的时间，通过计算机调节治疗光照功率，并将投影的图像发送至数字微镜阵列，产生与病灶形状和大小一致的光照，并投影至病变组织表面。

本发明的有益效果：在光动力治疗疾病过程中，顺序捕获白光图像、空间频域漫反射图像和荧光图像，采用白光图像识别病灶的形状和面积大小，采用漫反射图像获得组织光学特性参数，采用获得的光学特性参数校正荧光图像定量获得光敏剂在病变组织中的浓度，并可评估特定光照波长在病变组织中的穿透深度和产生的单线态氧产量，进而优化调控光动力治疗激光光照的光斑形状和大小、光照的功率和光照的时长。本发明性价比高、使用方便、有望在临床光动力治疗领域得到推广和应用。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步的详细阐述，

图1是本发明一种可个性化调控的光动力治疗光源结构示意图；

图中：1-卤钨灯、2-第一滤光片轮、3-液晶导光管、4-第一半透半反镜、5-荧光激发激光光源、6-第一漫射体、7-第二半透半反镜、8-光动力治疗激光光源、9-第二漫射体、10-反射镜、11-数字微镜阵列、12-投影镜头、13-第三半透半反镜、14-第二滤光片轮、15-CMOS相机、16-计算机、17-病变组织；

图2是本发明一种可个性化调控的光动力治疗光源调控方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供了一种可个性化调控的光动力治疗光源,其包括卤钨灯1、第一滤光片轮2、液晶导光管3、第一半透半反镜4、数字微镜阵列11、投影镜头12、第三半透半反镜13、病变组织17、第二滤光片轮14、CMOS相机15、计算机16、荧光激发激光光源5、第一漫射体6、第二半透半反镜7、光动力治疗激光光源8、第二漫射体9和反射镜10。所述卤钨灯1发出光经过第一滤光片轮2和液晶导光管3射入第一半透半反镜4后出射至数字微镜阵列11，经过投影镜头12出射至第三半透半反镜13，射至病变组织17后，再经第三半透半反镜13反射至第二滤光片轮14，由CMOS相机15采集病灶白光图像和漫反射图像；所述荧光激发激光光源5发出光经第一漫射体6进行匀化，匀化后的激光经过第二半透半反镜7反射至第一半透半反镜4，出射至数字微镜阵列11，经过投影镜头12出射至第三半透半反镜13，射至病变组织17激发病变组织内的光敏剂荧光，荧光经第三半透半反镜13反射至第二滤光片轮14射，由CMOS相机15采集荧光图像；采集的白光图像经计算机16处理后发送至数字微镜阵列11，投影镜头12投射出病灶形状；采集的漫反射图像和荧光图像经计算机16仿真,得到相关数据并调控光动力治疗激光光源8，光动力治疗激光光源8发出的光经第二漫射体9进行匀化，匀化后的激光经过反射镜10反射至第二半透半反镜7，再经第一半透半反镜4，出射至数字微镜阵列11，经过投影镜头12出射至第三半透半反镜13，射至病变组织17。

参照图1与图2，本实施例进行可个性化调控的光动力治疗光源的调控方案的具体实现方式为：

步骤1)：开启卤钨灯(SLS201L,Thorlabs,USA)，第一滤光片轮和第二滤光片轮均旋转至无滤光片的通光孔，卤钨灯发射的光经液晶导光管(LLG03-4H,Thorlabs,USA)后对病变组织进行照明，通过CMOS相机(PCO.EDGE5.5,PCO,German)采集待测病变组织的白光图像，对所获得白光图像进行自动阈值选取的二值化处理，获得病灶的形状和大小，确定此病灶形状与大小为治疗光照的光斑形状与大小；

步骤2)：保持卤钨灯开启，将第一滤光片轮旋转至中心波长与光敏剂荧光激发波长相同的带通滤光片(FB405-10,Thorlabs,USA)，滤光片的中心波长为405nm。在数字微镜阵列(0.45WXGA,TI,USA)上形成12mm×9mm的矩形光斑；同时将计算机编程软件生成具有如(1)式所示正弦模式的结构光图像加载到数字微镜阵列上，

其中，其中S₀是照明源强度,f_x和f_y分别是x和y方向上的空间频率,M₀是调制深度和φ是空间相位，首次成像时

数字微镜阵列表面反射出具有一定频率的结构光经由投影组件照射在已知光学特性参数的模拟液上，投影镜头距离模拟液样品150mm，投影面积为40mm×30mm，CMOS相机(PCO.EDGE5.5,PCO,German)采集样品的漫反射光图像I₁，送至计算机进行处理。分别改变相位

为2π/3和4π/3，重复上述步骤采集漫反射光图像I₂和I₃。所采集的漫反射图像包含直流和交流部分，交流部分可以表示为：

其中，M_AC是调制幅度，可以根据公式(2)计算获得：

步骤3)：采用上述相同的步骤2)，对待测的病变组织获取M_AC,sample(x,y,f_x,f_y)，由病变组织的调制函数M_AC,sample(x,y,f_x,f_y)与已知光学特性的模拟液的调制函数M_AC,ref(x,y,f_x,f_y)之比再乘以已知的漫反射率R_d,ref，获得校准后的组织真实反射率R_d,405，

步骤4)：将第一滤光片轮旋转至中心波长为620nm的带通滤光片(FB620-10,Thorlabs,USA)，采用相同的步骤获得病变组织的漫反射率R_d,620，

步骤5)：采用查表法获得病变组织在荧光激发波长和荧光发射波长处的光学特性参数。将获得的光学特性参数用于数学仿真，确定治疗光的穿透深度和特定治疗深度的光能量；

步骤6)：关闭卤钨灯，在组织中注入光敏剂HMME，等待HMME在病变组织内积聚后，开启LD光源(LaserBoxx405,Oxxius,France)，激光光源发射的光束经过第一漫射体(ED1-S20,Thorlabs,USA)匀化后，形成均匀矩形光斑出射在数字微镜阵列上。数字微镜阵列表面反射出具有一定频率的结构光经由投影模块照射在病变组织上，第二滤光片轮旋转至可滤除荧光激发激光信号的长波通滤光片(FELH0450,Thorlabs,USA)处，CMOS相机采集荧光图像F_measured，送至计算机，根据式(6)计算出病变组织内的本征荧光信息F_intrinsic，

病变组织内的光敏剂浓度[PS]与本征荧光强度为线性关系，表示为：

其中Q_405,620是在405nm激发波长激发下HMME的荧光量子产率，ε_405,620是在405nm激发波长激发下HMME的摩尔消光系数。采用所测量的光敏剂浓度进行数学仿真，计算获得随时间变化的单线态氧产量，确定治疗光照所需的功率和光照的时间；

步骤7)：开启光动力治疗激光光源(HPL-532-CW，长春新产业光电技术有限公司，中国)，根据所确定的治疗光照的图像形状与大小、治疗光照的功率和治疗光照的时间，通过计算机调节治疗光照功率，并将投影的图像发送至数字微镜阵列，产生与病灶形状和大小一致的光照，并投影至病变组织表面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种可个性化调控的光动力治疗光源，其特征在于：包括卤钨灯、第一滤光片轮、液晶导光管、第一半透半反镜、荧光激发激光光源、第一漫射体、第二半透半反镜、光动力治疗激光光源、第二漫射体、反射镜、数字微镜阵列、投影镜头、第三半透半反镜、病变组织、第二滤光片轮、CMOS相机和计算机组成；所述卤钨灯发出光经过第一滤光片轮和液晶导光管形成均匀光照至第一半透半反镜；所述荧光激发激光光源发出光经过第一漫射体后成均匀光斑照射至第二半透半反镜，由第二半透半反镜反射至第一半透半反镜；通过第一半透半反镜的光束射至数字微镜阵列，经过投影镜头出射至第三半透半反镜，射至病变组织后，再经第三半透半反镜反射至第二滤光片轮最终射入CMOS相机；所述CMOS相机将采集到的图像信息传递至计算机，计算机发出调控指令至数字微镜阵列和光动力治疗激光光源，数字微镜阵列根据计算机指令加载病灶形状图像并调节微镜阵列，光动力治疗激光光源根据调控指令调控光照功率和光照时间，光动力治疗激光光源发射的光束通过第二漫射体后成均匀光斑出射，出射激光依次经过反射镜、第二半透半反镜、第一半透半反镜、数字微镜阵列、投影镜头和第三半透半反镜，在病变组织表面产生特定功率和光斑形状的治疗光照。

2.根据权利要求1所述的可个性化调控的光动力治疗光源，其特征在于：所述卤钨灯发射光的波长为400-2200nm。

3.根据权利要求1所述的可个性化调控的光动力治疗光源，其特征在于：所述第一滤光片轮放置不同中心波长的带通滤光片并保留一个无滤光片的通光孔，所述带通滤光片的中心波长分别对应于光敏剂荧光的最佳激发波长和最佳发射波长。

4.根据权利要求1所述的可个性化调控的光动力治疗光源，其特征在于：所述荧光激发激光光源的波长对应于光敏剂的最佳激发波长。

5.根据权利要求1所述的可个性化调控的光动力治疗光源，其特征在于：所述光动力治疗激光光源的波长根据光敏剂的摩尔消光系数和吸收峰确定。

6.根据权利要求1所述的可个性化调控的光动力治疗光源，其特征在于：所述数字微镜阵列上的微镜在电子开关作用下，可加载计算机处理生成的病灶形状图，将照射在其上的光斑形成与病灶形状相同的光斑反射至投影镜头；投影镜头将光斑投影在病灶表面上形成特定光斑形状的光动力光照。

7.根据权利要求1所述的可个性化调控的光动力治疗光源，其特征在于：所述第二滤光片轮放置长波通滤光片并保留一个无滤光片的通光孔，所述长波通滤光片的通光波长大于荧光激发激光光源的波长。

8.根据权利要求1-7之一所述的可个性化调控的光动力治疗光源的调控方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤1)：开启卤钨灯，将第一滤光片轮和第二滤光片轮均旋转至无滤光片的通光孔，卤钨灯发射的光对病变组织进行照明，通过CMOS相机采集待测病变组织的白光图像，对所获得白光图像进行自动阈值选取的二值化处理，获得病灶的形状和大小，确定此病灶形状与大小为治疗光照的光斑形状与大小；

步骤2)：保持卤钨灯开启，将第一滤光片轮旋转至中心波长与光敏剂荧光激发波长相同的带通滤光片，采用特定空间频率(f_x，f_y)不同相位θ＝[0,2π/3,4π/3]的结构光照射光学参数已知的模拟液，通过CMOS相机获取模拟液的三幅漫反射光图像I₁,I₂,I₃，

步骤3)：采用相同的步骤2)，对待测的病变组织获取M_AC,sample(x,y,f_x,f_y)，由病变组织的调制函数M_AC,sample(x,y,f_x,f_y)与已知光学特性的模拟液的调制函数M_AC,ref(x,y,f_x,f_y)之比再乘以已知的漫反射率R_d,ref，获得校准后的组织真实反射率R_d,ex，

步骤4)：将第一滤光片轮旋转至中心波长与光敏剂荧光发射波长相同的带通滤光片，采用相同的步骤3)获得病变组织的漫反射率R_d,em，

步骤5)：采用查表法获得病变组织在荧光激发波长和荧光发射波长处的光学特性参数，将获得的光学特性参数用于数学仿真，确定治疗光的穿透深度和特定治疗深度的光能量；

步骤6)：关闭卤钨灯，向病变组织注射光敏剂，待光敏剂在病变组织积聚，开启荧光激发激光光源，将第二滤光片轮旋转至可滤除荧光激发激光信号的长波通滤光片处，对病变组织进行荧光成像，获取荧光图像F_measured，病变组织的本征荧光信息F_intrinsic，

病变组织的光敏剂浓度[PS]与本征荧光强度为线性关系，表示为：

其中Q_ex,em是相应激发波长激发下光敏剂的荧光量子产率，ε_ex,em是相应激发波长激发下光敏剂的摩尔消光系数；采用所测量的光敏剂浓度进行数学仿真，计算获得随时间变化的单线态氧产量，确定治疗光照所需的功率和光照的时间；

步骤7)：开启光动力治疗激光光源，根据所确定的治疗光照的图像形状与大小、治疗光照的功率和治疗光照的时间，通过计算机调节治疗光照功率，并将投影的图像发送至数字微镜阵列，产生与病灶形状和大小一致的光照，并投影至病变组织表面。