CN106073718B - 定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机及荧光定量方法 - Google Patents

定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机及荧光定量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定量检测5‑ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机，其由光照射部件、CMOS相机和电路控制系统组成；所述光照射部件安装在CMOS相机的镜头上；所述光照射部件包括圆筒，圆筒的一端面上设环形的灯罩，灯罩远离圆筒的一端面上设有环形的扩散膜，圆筒的另一端面上设有环形电路板，环形电路板靠近圆筒的一端面上设有LED光源，所述LED光源包括呈环形均匀分布在环形电路板外圈的紫光光源和呈环形均匀分布在环形电路板内圈的白光光源，环形电路板的另一端面上设有环状的底座，底座中间设有滤光片，底座上设安装接口，光照射部件通过底座的安装接口安装在CMOS相机的镜头上；所述电路控制系统包括电路盒，电路盒内设有LED光源的驱动控制电路。

Description

定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机及荧光定量 方法
技术领域
本发明涉及一种定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机及荧光定量方法。
背景技术
光动力疗法(Photodiagnosis and Photodynamic Therapy，PDPDT)是一种联合利用光、光敏剂和氧分子，通过光动力反应选择性地治疗肿瘤、老年黄斑变性和鲜红斑痣等血管性疾病的新疗法。该疗法先后通过了加拿大、美国、日本、挪威、德国和英国等国家卫生部门的论证，已被广泛应用于临床医学。光动力治疗肿瘤的过程中，光敏剂通过静脉注射进入患者体内，在一段时间里会在肿瘤组织中形成相对高浓度的积聚，此时用特定波长激光照射肿瘤组织，将激活其中的光敏剂分子，在肿瘤组织内引发一系列光化学反应，生成活性很强的单线态氧，进而和生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒性，杀死肿瘤细胞，从而起到治疗作用。
利用光敏剂可在肿瘤组织中形成相对高浓度的积聚且在适当波长的光照射后可产生荧光的特性，临床上可应用荧光检测技术，通过分析荧光强度不仅可以确定病变组织的生长位置、病变组织与正常组织的边界，以及治疗的区域，还可以在光动力治疗过程中实时监测光敏剂浓度的变化，指导实时剂量调整，从而实现对肿瘤等疾病的荧光诊断、手术指导和治疗监测。
目前，在临床光动力治疗过程中通常采用荧光光谱仪进行荧光检测并结合校正算法实现光敏剂浓度的定量监测，这种方法虽然灵敏度较高，便于实现稳态与瞬态检测，组织各向异性的影响较小，但是光纤探头与组织表面接触的测量方式往往产生接触压力，改变组织局部的光学特性参数，影响测量的准确性；此外，光谱检测方式只能获取单点的信息，无法反映面积较大的靶组织内光敏剂浓度分布情况。荧光成像技术则可以成像的方式实现对面积较大的靶组织内光敏剂浓度分布进行检测，然而，临床上现有的荧光成像系统往往采用激光光源和高灵敏度的CCD成像元件，这些荧光成像系统结构复杂，价格昂贵，而且对于光敏剂产生的荧光只能进行定性的分析，没有将荧光强度与组织中光敏剂浓度及分布联系起来，未能对荧光强度进行定量分析。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机及荧光定量方法，主要应用于皮肤类疾病，如鲜红斑痣、年龄相关性黄斑变性、银屑病、寻常性痤疮、尖锐湿疣、牛皮癣等疾病的治疗。本发明以5-ALA为应用对象，根据5-ALA诱导的PpIX的吸收光谱和荧光发射光谱，采用紫光光源、白光光源和高分辨率相机对病变组织进行荧光定量分析，研究5-ALA诱导的PpIX在病变组织中的浓度分布及变化情况，有利于对皮肤病患者进行早期诊断、靶向治疗和光剂量的调整，以及随访评估光动力治疗疗效。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机，其由光照射部件、CMOS相机和电路控制系统组成；所述光照射部件安装在CMOS相机的镜头上；所述光照射部件包括圆筒，圆筒的一端面上设环形的灯罩，灯罩远离圆筒的一端面上设有环形的扩散膜，圆筒的另一端面上设有环形电路板，环形电路板靠近圆筒的一端面上设有LED光源，所述LED光源包括呈环形均匀分布在环形电路板外圈的紫光光源和呈环形均匀分布在环形电路板内圈的白光光源，环形电路板的另一端面上设有环状的底座，底座中间设有滤光片，底座上设安装接口，光照射部件通过底座的安装接口安装在CMOS相机的镜头上；所述电路控制系统包括电路盒，电路盒内设有LED光源的驱动控制电路。
所述底座上设有压圈，压圈将滤光片压紧在底座中间。
所述安装接口为螺纹接口，CMOS相机的镜头上对应螺纹接口设螺纹，光照射部件通过底座上的螺纹接口安装在CMOS相机的镜头上。
所述电路盒安装在CMOS相机底部。
所述紫光光源为24个紫光LED。
所述白光光源为18个白光LED。
所述紫光光源的中心波长为405nm，带宽40nm。
所述滤光片为长通滤光片，截止波长为600nm。
定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机的荧光定量方法：5-ALA诱导的PpIX在病变部位积聚，电路控制系统控制白光光源开启，通过荧光相机对病变部位进行漫反射光成像，获取白光图像；白光光源关闭，电路控制系统控制紫光光源开启，对病变部位进行荧光成像，获取紫光图像；将该荧光相机拍摄的紫光图像和白光图像转换为RGB三分量图像，得到紫光图像和白光图像在RGB色彩空间下的三刺激值R、G和B，根据CIE 1931 RGB系统所推荐的三色配色函数，即在整个可见光谱范围内光谱色和混合色三刺激值的相互关系，分别计算获得紫光照射下的荧光光谱分布和蓝光光谱分布以及白光照射下的荧光光谱分布将上述光谱分布代入下式可计算获得校正后的荧光强度
其中K为荧光强度校正系数，α为荧光相机系统定标系数。同时，校正后的荧光强度与待测组织内的PpIX光敏剂浓度之间满足如下所示的关系式：
其中，Cm为PpIX浓度，Ω为浓度校正系数。荧光强度校正系数K与浓度校正系数Ω的乘积以及荧光相机系统定标系数α可通过对已知不同浓度PpIX光敏剂的组织模拟液进行紫光图像和白光图像的检测和曲线拟合而得。
本发明采用以上技术方案，具有如下的有益效果：在5-ALA光动力诊断和治疗皮肤病过程中，通过荧光相机对病变部位成像，经过荧光定量分析研究5-ALA诱导的PpIX在病变组织中的浓度分布及变化情况，确定病变组织与正常组织的边界及病变区域的大小，对病变组织的生长位置及治疗区域进行精确的定位，还可以对光动力治疗过程中进行光敏剂剂量检测。本发明性价比高、使用方便、成本低廉，有望在临床光动力治疗领域得到推广和应用。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
图1是本发明的荧光相机的结构示意图；
图2是本发明的荧光相机工作原理及荧光定量方法原理图；
图3是本发明荧光相机中的CMOS相机结构示意图；
图4是本发明荧光相机中的光照射部件的分解结构示意图；
图5是本发明荧光相机中的电路盒示意图；
图6是本发明荧光相机中的白光LED驱动控制电路图；
图7是本发明荧光相机中的紫光LED驱动控制电路图；
图8是本发明的白光LED光功率密度分布图；
图9是本发明的白光LED光强分布图(光照距离100mm)；
图10是本发明的紫光LED光功率密度分布图；
图11是本发明的紫光LED光强分布图(光照距离100mm)。
具体实施方式
如图1-11之一所示，本发明公开了一种定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机，其由光照射部件、CMOS相机1和电路控制系统组成；所述光照射部件安装在CMOS相机的镜头4上；所述光照射部件包括圆筒2，圆筒2的一端面上设环形的灯罩10，灯罩10远离圆筒2的一端面上设有环形的扩散膜6，圆筒2的另一端面上设有环形电路板11，环形电路板11靠近圆筒2的一端面上设有LED光源5，所述LED光源5包括呈环形均匀分布在环形电路板外圈的紫光光源和呈环形均匀分布在环形电路板内圈的白光光源，环形电路板11的另一端面上设有环状的底座15，底座15中间设有滤光片13，底座15上设安装接口14，光照射部件通过底座15的安装接口14安装在CMOS相机1的镜头4上；所述电路控制系统包括电路盒3，电路盒3内设有LED光源5的驱动控制电路。CMOS相机通过数据线8可与计算机相连。
9为光照射部件上的安装螺钉。
16为电源接口，17为开关，18为螺钉，LED光源5采用恒流驱动方式，通过调节电路中滑动变阻器可以调节两种光源输出功率，同时通过开关17控制可以实现白光光源和紫光光源之间的快速切换，LED光源5通过电源线7与电源接口16相连，电路盒3通过螺钉18安装于相机1底面三脚架安装孔处。
所述底座15上设有压圈12，压圈12将滤光片13压紧在底座15中间。
所述安装接口14为螺纹接口，CMOS相机的镜头4上对应螺纹接口14设螺纹，光照射部件通过底座15上的螺纹接口安装在CMOS相机的镜头4上。
所述电路盒3安装在CMOS相机1底部。
所述紫光光源为24个紫光LED。
所述白光光源为18个白光LED。
所述紫光光源的中心波长为405nm，带宽40nm。
所述滤光片13为长通滤光片，截止波长为600nm。
定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机的荧光定量方法：5-ALA诱导的PpIX在病变部位积聚，电路控制系统控制白光光源开启，通过荧光相机对病变部位进行漫反射光成像，获取白光图像；白光光源关闭，电路控制系统控制紫光光源开启，对病变部位进行荧光成像，获取紫光图像；将该荧光相机拍摄的紫光图像和白光图像转换为RGB三分量图像，得到紫光图像和白光图像在RGB色彩空间下的三刺激值R、G和B，根据CIE 1931 RGB系统所推荐的三色配色函数，即在整个可见光谱范围内光谱色和混合色三刺激值的相互关系，分别计算获得紫光照射下的荧光光谱分布和蓝光光谱分布以及白光照射下的荧光光谱分布将上述光谱分布代入下式可计算获得校正后的荧光强度
其中K为荧光强度校正系数，α为荧光相机系统定标系数。同时，校正后的荧光强度与待测组织内的PpIX光敏剂浓度之间满足如下所示的关系式：
其中，Cm为PpIX浓度，Ω为浓度校正系数。荧光强度校正系数K与浓度校正系数Ω的乘积以及荧光相机系统定标系数α可通过对已知不同浓度PpIX光敏剂的组织模拟液进行紫光图像和白光图像的检测和曲线拟合而得。
图6中，18个白光LED采用串并联方式，锂离子电池作为电源，恒流驱动LED。
图7中，24个紫光LED采用串并联方式，锂离子电池作为电源，恒流驱动LED。
图8中，图中的横坐标表示水平方向的坐标，纵坐标表示竖直方向的坐标，图中圆形区域表示光照区域，灰色坐标表示不同的光功率密度值，圆形区域中不同的灰度表示不同的光功率密度。
图9中，图中的两条曲线分别表示在圆形区域中心处沿水平及竖直方向的光强分布。
图10中，图中的横坐标表示水平方向的坐标，纵坐标表示竖直方向的坐标，图中圆形区域表示光照区域，灰色坐标表示不同的光功率密度值，圆形区域中不同的灰度表示不同的光功率密度。
图11中，图中的两条曲线分别表示在圆形区域中心处沿水平及竖直方向的光强分布。

Claims (8)

1.定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机的荧光定量方法，其特征在于：所述荧光相机由光照射部件、CMOS相机和电路控制系统组成；所述光照射部件安装在CMOS相机的镜头上；所述光照射部件包括圆筒，圆筒的一端面上设环形的灯罩，灯罩远离圆筒的一端面上设有环形的扩散膜，圆筒的另一端面上设有环形电路板，环形电路板靠近圆筒的一端面上设有LED光源，所述LED光源包括呈环形均匀分布在环形电路板外圈的紫光光源和呈环形均匀分布在环形电路板内圈的白光光源，环形电路板的另一端面上设有环状的底座，底座中间设有滤光片，底座上设安装接口，光照射部件通过底座的安装接口安装在CMOS相机的镜头上；所述电路控制系统包括电路盒，电路盒内设有LED光源的驱动控制电路；
所述荧光定量方法：5-ALA诱导的PpIX在病变部位积聚，电路控制系统控制白光光源开启，通过荧光相机对病变部位进行漫反射光成像，获取白光图像；白光光源关闭，电路控制系统控制紫光光源开启，对病变部位进行荧光成像，获取紫光图像；将该荧光相机拍摄的紫光图像和白光图像转换为RGB三分量图像，得到紫光图像和白光图像在RGB色彩空间下的三刺激值R、G和B，根据CIE 1931 RGB系统所推荐的三色配色函数，即在整个可见光谱范围内光谱色和混合色三刺激值的相互关系，分别计算获得紫光照射下的荧光光谱分布和蓝光光谱分布以及白光照射下的荧光光谱分布将上述光谱分布代入下式可计算获得校正后的荧光强度
其中K为荧光强度校正系数，α为荧光相机系统定标系数；同时，校正后的荧光强度与待测组织内的PpIX光敏剂浓度之间满足如下所示的关系式：
其中，Cm为PpIX浓度，Ω为浓度校正系数；荧光强度校正系数K与浓度校正系数Ω的乘积以及荧光相机系统定标系数α可通过对已知不同浓度PpIX光敏剂的组织模拟液进行紫光图像和白光图像的检测并进行曲线拟合而得。
2.根据权利要求1所述的定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机的荧光定量方法，其特征在于：所述底座上设有压圈，压圈将滤光片压紧在底座中间。
3.根据权利要求1所述的定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机的荧光定量方法，其特征在于：所述安装接口为螺纹接口，CMOS相机的镜头上对应螺纹接口设螺纹，光照射部件通过底座上的螺纹接口安装在CMOS相机的镜头上。
4.根据权利要求1所述的定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机的荧光定量方法，其特征在于：所述电路盒安装在CMOS相机底部。
5.根据权利要求1所述的定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机的荧光定量方法，其特征在于：所述紫光光源为24个紫光LED。
6.根据权利要求1所述的定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机的荧光定量方法，其特征在于：所述白光光源为18个白光LED。
7.根据权利要求1所述的定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机的荧光定量方法，其特征在于：所述紫光光源的中心波长为405nm，带宽40nm。
8.根据权利要求1所述的定量检测5-ALA诱导的PpIX浓度分布的荧光相机的荧光定量方法，其特征在于：所述滤光片为长通滤光片，截止波长为600nm。
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三种卟啉类光敏剂的荧光量子产率;余松林 等;《光电子·激光》;20080930;第19卷(第9期);第1283-1286页

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