CN103920248A - 一种同步光动力治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步光动力治疗装置，该装置可在计算机的控制下根据患者病患区域的血氧浓度同步控制治疗光源的光照射功率，也可通过空间光调制器调节治疗区域的光照射功率空间与时间分布参数，或者使用两者复合的光源调制方法调节治疗光源的光照射功率。此外，该装置也可在治疗光源中采用多种光谱结构，通过结构光照明获取治疗部位的血氧空间分布参数，进而控制治疗光在治疗区域的空间与时间分布，达到光敏剂、光与氧的最佳匹配，减少光热效应及光敏剂光化学毒性对周围组织的不良影响。

Description

一种同步光动力治疗装置

技术领域

本发明涉及一种同步光动力治疗装置，尤其是利用光动力方法治疗体表性疾病，如鲜红斑痣、基底细胞癌、日光性角化、皮肤性鳞状上皮细胞癌、痤疮等。 

背景技术

光动力疗法是利用光敏剂和光辐射产生光动力反应而进行疾病诊断和治疗的一种新技术，相比于传统的化疗、放疗等方法，PDT具有微创、毒性低微、选择适用性好、可重复治疗及很小的副作用。光动力疗法作用原理为特定波长的光照射病灶区域，最终产生一系列光化学反应，其中的生成物(激发态单线态氧分子)具备极强的氧化性，可以杀死病变细胞，进而达成治疗目的。 

光动力治疗的疗效涉及三种关键因素：光敏剂、光与细胞中的氧分子。目前，常用的光动力治疗光源一般为发光二极管(LED)、激光等。现有的光动力治疗设备对光源的要求主要局限在输出光功率、光谱范围等，其调节能力有限，不适于实现个性化的治疗方案。 

发明内容

本发明目的是提供一种同步光动力治疗装置，根据所述的装置及方法可根据治疗部位的血氧浓度及体内光敏剂代谢曲线，控制激发光源的辐射功率及能量，使光敏剂、光及病患区域的血氧浓度达到最优匹配。 

本发明的实施过程主要包括治疗前校准、治疗中监测与同步治疗构成。治疗前校准包括校准治疗光源及其投影镜头的光学参数、治疗光源均匀性、监控镜头的光学参数、治疗光源与监控镜头的坐标转换关系等；治疗过程中，计算机控制首先空间光调制器如LCOS、DLP、液晶板等投射结构光图像照射患者病患区域，并使用图像传感器同步采集患者病患区域的图像信息，根据坐标转换关系获取病患区域的三维结构；其次，根据放置于治疗区域附近的血氧传感器测量治疗区域的血氧浓度，或者根据投射的特定光谱如(中心波长为660nm和940nm)的结构光图像获得治疗区域的三维血氧浓度分布，根据该血氧浓度同步控制投射治疗光源的驱动电流、电压大小控制治疗光源的辐射通量，也可通过空间光调制器独立调节各像素的辐射通量。辐射通量的调节依据为当治疗部位的血氧浓度高时，提高光源或空间光调制器对应像素的辐射通量；血氧浓度降低时，降低光源或空间光调制器对应像素的辐射通量，从而达到在患者治疗的光平均功率与总能量不变的条件下，使治疗光照的瞬时功率提高，并与光敏计浓度与血氧浓度达到最优匹配，减少光热效应及光敏剂光化学毒性对周围组织的不良影响。 

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点更能明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，详细说明如下： 

图1为系统结构图。概要说明本发明的装置的结构，包括(1)治疗光源、(2)图像传感器、(3)空间光调制器、(4)监控透镜、(5)治疗光投影透镜、(6)患者治疗区域和(7)血氧传感器，该装置可与上位控制计算机连接，完成治疗过程的监控与控制。 

图2为治疗光源与血氧浓度的调节关系。图2(a)为典型的患者血氧浓度随时间的变化曲线，相邻的两个峰值为一个心跳周期；图2(b)为典型的直流方式光动力治疗光源的光功率曲线；图2(c)为同步的交流调制方式光动力治疗光源的光功率曲线；图2(d)为同步相位延迟的交流调制方式光动力治疗光源的光功率曲线。 

图3为(1)治疗光源的一种多光谱结构形式。其中(8)、(16)、(17)可分别为用于测量血氧浓度的两种波长(如中心波长为660nm和940nm)的光源及治疗光源，也可是两种或三种光谱的治疗光源；(9)、(12)、(14)分别为耦合透镜，(15)为该中结构下的输出耦合透镜，(10)、(11)、(13)为对应光源的二色镜，实现光谱融合。 

图4为(3)空间光调制器的一种调制方式。图4(a)为光敏剂在患者体内的浓度衰减曲线，图中的t_m、t_m+1、t_m+2为相邻的3个心跳周期，图4(b)(c)(d)(e)为(3)空间光调制器在单个心跳周期内的一种调制模式序列即编码结构光的节选，用于调制治疗过程中光照射区域的光功率。此外，该调制方式也可在治疗前用于获取患者病患区域的三维结构信息。 

具体实施方式

下面结合附图与实例，对本发明做更进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不作为对本发明的限定。 

首次使用前，系统首先完成内部光学参数的标定。即在计算机的控制下(2)图像传感器通过(4)监控透镜拍摄一系列的校正板图像，获取(2)图像传感器通过(4)监控透镜的光学校正参数，如焦距、径向畸变、切向畸变等参数；其次，(3)空间光调制器通过(5)治疗光投影透镜投射一系列的编码图像(参考图4(b)(c)(d)(e))至校正板或平面反射板(如屏幕)，并同步获取(2)图像传感器通过(4)监控透镜获得的一系列拍摄图像，计算机求解(5)治疗光投影透镜的光学校正参数，并计算上述两套光学系统间的旋转矩阵与平移矩阵。 

治疗前，(3)空间光调制器通过(5)治疗光投影透镜投射一系列的编码图像(参考图4(b)(c)(d)(e))至病患区域，解码同步拍摄的编码图像后可获得病患区域的三维结构信息。 

治疗中，改装置获取患者病患区域血氧浓度的方式至少包括以下两种。其一为在治疗区域附近安装(7)血氧传感器，用其血氧浓度近似治疗区域的血氧浓度，其二为改变(1)治疗光源的结构形式为图3所示，通过时分复用的方式分别投射用于测量血氧饱和度的两种如中心波长为660nm和940nm的光源及治疗光源，并通过调制(3)空间光调制器投射编码光序列图像，获得治疗区域的血氧浓度三维分布；如不考虑系统成本，也可使用多个空间光调制器，并防止于对应光谱光源的光路中，最终可经合束镜及透镜耦合输出。 

由于氧在人体组织内部的扩散与消耗，组织内的血氧浓度曲线典型如图2(a)所示。当组织血氧浓度最高时，同步控制(1)治疗光源的光功率为最大值；反之，当组织血氧浓度最小时，同步控制(1)治疗光源的光功率为最小值，如此交替反复，如图2(c)所示；考虑组织内部在不同深度的也不相同，当治疗位于皮肤不同深度的疾病时，可根据血流的扩散速度增加相位延迟，控制光照在组织的不同深度产生最佳效果的治疗，如图2(d)所示。与传统的恒定功率治疗模式图2(b)相比,上述调制方式的特征在于可保持光照射平均功率或能量不变，通过调制提高照射的瞬间功率，达到治疗位于不同深度疾病的目的，并使得病患组织与正常组织的光敏剂浓度与血氧浓度分布差异提高，减小光热效应损伤，从而更有效地保护正常组织。 

光敏剂单次注射后在人体的典型代谢曲线如图4(a)所示，由于光敏剂的浓度随光动力治疗时间增长而降低，在治疗后期，应降低光功率的输出减少不必要的光损伤，其途径可包括直接降低光源的光功率和调节空间光调制器。后者可通过调节同一像素位置在一个心跳周期内的光照射的占空比获得，图4(b)、(c)、(d)、(e)为一个心跳周期内的一种光照射调节方式，其组合结果可使特定区域光照射功率为光源平均辐射出射度内以1/2ⁿ步长调节，其中n为空间光调制器的灰度调节位数。 

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。 

Claims (4)

1.一种同步光动力治疗装置，根据所述的装置及方法可完成光动力治疗中光照射剂量与患者血氧浓度的同步照射，其主要构成包括(1)治疗光源、(2)图像传感器、(3)空间光调制器、(4)监控透镜、(5)治疗光投影透镜、(6)患者治疗区域和(7)血氧传感器等构成，该装置通过外接的计算机单元控制完成相关的操作。

2.根据权利要求1所述的同步光动力治疗装置，其特征在于通过(7)血氧传感器测量仪获取患者治疗区域附近的血氧浓度，并根据其浓度高低同步调制(1)治疗光源的电流或电压调节其辐射强度，进而控制患者治疗区域的辐照度，从而达到患者内部光敏剂含量、氧含量及治疗光照射剂量的最佳匹配，减少光热效应及光敏剂光化学毒性对周围组织的不良影响。

3.根据权利要求1所述的同步光动力治疗装置，其特征在于通过(7)血氧传感器测量仪获取患者治疗区域附近的血氧浓度，并根据其浓度高低同步控制(3)空间光调制器的透过率或者反射率，进而控制患者治疗区域的辐照度，从而达到患者内部光敏剂含量、氧含量及治疗光照射剂量的最佳匹配，减少光热效应及光敏剂光化学毒性对周围组织的不良影响。

4.根据权利要求1所述的同步光动力治疗装置，其特征在于结合事先标定的(2)图像传感器和(4)监控透镜与(5)治疗光投影透镜和(3)空间光调制器的空间转换关系及各透镜参数，通过采用多光谱形式的(1)治疗光源及调节(3)空间光调制器的透过率或者反射率形成格雷码等结构光图像获取患者治疗区域的血氧浓度的三维空间及时间分布参数，进而控制(3)空间光调制器与(1)治疗光源形成空间编码与辐射功率的复合调制治疗光照，从而达到患者内部光敏剂含量、氧含量及治疗光照射剂量的最佳匹配，减少光热效应及光敏剂光化学毒性对周围组织的不良影响。