CN107189089A - 利用uv led可调光源实现光化学交联的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统，包括光源系统、光学系统；其中，光源系统包括LED光源、基板、控制电路板、调节面板，光学系统包括光学扩散片、显微物镜、透镜组、瞄准光路、孔径光阑；光源系统提供光强度连续可调的UV紫外光输出，光学系统实现紫外光的均光，并且通过瞄准光路和孔径光阑实现光斑大小的分级调节。本发明将光源系统和光学系统结合在一起，能够精准的调节输出光能量、光斑大小及调整光斑位置，实现对圆锥角膜的精准治疗。

Description

利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统

技术领域

本发明涉及光化学交联领域，具体地，涉及利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统。其中，UV LED即紫外发光二极管。

背景技术

光化学交联是一种通过光敏物质(核黄素)在激发光源(紫外光)作用下产生光化学反应，引起胶原蛋白分子在胶原纤维之间形成共价交联来连接的方法，这种方法在角膜或巩膜组织可以起到增强组织张力、抵抗微生物酶消化等作用，治疗圆锥角膜、准分子屈光手术后角膜膨隆以及眼表感染等疾病。

光化学交联的原理是光敏剂在特定波长的激活下起作用，LED和laser都可以输出特定光波的光子起作用。通常用激光来作为工作光源，激光光源为单色性平行光，光强和能量可以满足治疗需要。

但是激光光化学交联仍然存在局限，由于激光光源极为耀眼，在临床治疗眼病过程中会对病人造成极大的不适，从而降低治疗过程中的依从性，影响治疗效果。相比较而言，LED光线较为柔和，更有利于治疗，同时，LED使用冷发光技术，发热量低很多。

然而，LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的，由于单个发光面比较窄，通常大规模集成在线路板上，形成一个比较大的发光源，由此会造成大量热量积累。而临床治疗要求在目标弧形立体区域得到一个均匀光密度的光斑，现有LED的缺陷影响了实际应用。

本发明涉及光化学交联技术，具体地，涉及技术原理如下：

1、光化学反应：光化学反应指生物组织吸收激光能量并将光能转变成化学能，导致化学反应，主要分为四种，光致分解、光致氧化、光致聚合、光致敏化。它们的一个最基本的规律是，特定的光化学反应要特定波长的光子来引发。光化学反应在眼表角膜、巩膜组织的效果：重新构建新的胶原纤维间共价链接，从而提高胶原纤维机械强度，增强角膜基质的生物化学和力学稳定性。另外，角膜内多种酶含量及种类的增加，是角膜溃疡发生发展的重要因素，研究发现经紫外线和核黄素交联加固的角膜抵抗胃蛋白酶、胰蛋白酶、胶原酶消化的能力增强。光化学反应中可以起到组织粘合作用的有两种机制：A光热作用(Photothermal reaction)，它使组织的连接点快速地吸收热能，之后达到胶原蛋白的变性温度(温度会大大升高)，部分变性的胶原蛋白可以互相影响交织，因此，冷却后形成胶原纤维间连续的闭合。这种作用可以促进角膜或者巩膜溃疡病灶尽快的纤维化和疤痕化而起到治疗作用。B光化学作用(Photochemical reaction)，它是通过胶原蛋白分子在组织表面形成共价交联来连接的，光化学交联可以不通过温度的升高和蛋白质的变性，而且它还可以在两个层面上产生持续的分子层面的密封，核黄素-UVA交联技术治疗圆锥角膜及屈光手术后角膜膨隆主要是依靠光化学作用。

2、光化学反应相关机制：核黄素吸收紫外线后被激发形成单线态核黄素(singletriboflavin)，随后单线态核黄素转化形成三线态核黄素(triplet-excited riboflavin)。此过程有两种反应方式：I型和II型。当氧充足时发生II型反应，三线态氧(3O2)会被激发产生高活性的单线态氧(1O2)(氧分子的电子数量虽没有变化，但是电子旋转状态发生改变)，随后这些活性氧与组织中胶原纤维的羰基反应，促进局部胶原和蛋白多糖分子建立新的共价链接；当氧被耗尽时发生I型反应，产生的自由基离子可导致角膜基质中大分子物质发生共价交联。

3、光波损伤：

a.光化学反应性损伤：首先，紫外光在眼球中的光路传导止于人眼晶状体，不会抵达视网膜，因此对视网膜不存在损伤的问题。但是紫外光在晶状体内吸收可以引起光化学反应引起白内障。其次，紫外光暴露对宿主正常细胞的致突变作用也无法忽视。最后，角膜缘干细胞直接暴露于紫外光下也容易导致光化学治疗后上皮再生不良或者上皮功能失代偿。

b.光热反应性损伤：虽然核黄素-UVA交联技术治疗圆锥角膜及屈光手术后角膜膨隆主要是依靠光化学作用，如果在增强角膜交联过程中，光化学反应过度造成局部温度升高演变成光热反应为主则会引起原本透明的角膜组织浑浊甚至疤痕化，可能会导致眼球天然的透光性减低出现治疗并发症，超过正常体温10℃则会导致角膜纤维化导致疤痕形成影响角膜透明度从而影响视力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统。

根据本发明提供的一种利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统，包括：光源系统、光学系统；

所述光源系统向所述光学系统提供光能量可调的UV紫外光；

所述光学系统将UV紫外光进行均光后输出光斑。

优选地，所述光源系统向所述光学系统提供强度连续可调的UV紫外光；

所述光学系统将UV紫外光进行均光后输出为光斑，并对光斑的大小分级调节和/或对光斑的位置进行调节。

优选地，所述光源系统，包括UV LED光源、基板、控制电路板、调节面板；其中：所述UV LED光源、基板、控制电路板、调节面板构成光源电路，所述基板用于集成光源电路；所述控制电路板用于控制所述UV LED光源的开启和关闭；所述调节面板能够实时调节所述UVLED光源的强度。

优选地，所述光学系统，包括：光学扩散片、显微物镜、透镜组、瞄准光路、孔径光阑，其中：所述UV紫外光依次通过光学扩散片、显微物镜、透镜组、瞄准光路、孔径光阑并输出光斑；所述UV紫外光通过光学扩散片产生光线的扩散，形成均匀的紫外光源；所述紫外光源依次穿过显微物镜和透镜组，所述显微物镜和透镜组均匀了紫外光源形成均匀光源；所述均匀光源依次通过瞄准光路和孔径光阑，所述瞄准光路和孔径光阑能够调节所述均匀光源，并形成光斑。

优选地，还包括：温度测量装置；所述温度测量装置包括温控防损伤装置和电源开关回路，所述温控防损伤装置能够检测UV紫外光的温度，所述电源开关回路能够控制光学系统的开启和关闭；所述温控防损伤装置控制所述电源开关回路的通断；

所述温控防损伤装置检测到UV紫外光的温度数值小于等于阈值a时，所述电源开关回路开启，所述光学系统处于开启状态；

所述温控防损伤装置检测到UV紫外光的温度数值大于阈值a时，所述电源开关回路关闭，所述光学系统关闭，所述光学系统停止接收UV紫外光；

所述阈值a为在先设定数值。

优选地，还包括：氧浓度强化治疗装置；所述氧浓度强化治疗装置包括进气导管、过滤瓶以及出气导管，其中：所述进气导管下端伸入过滤瓶的底部，进气导管上端连通空气；所述出气导管一端接入所述光学系统，进气导管另一端连通所述过滤瓶的上部；

氧气通过进气导管的上端进入所述过滤瓶，从进气导管的下端流出，经过过滤瓶中的过滤液体过滤后形成高浓度氧气，所述高浓度氧气进入所述出气导管，进而进入所述光学系统。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)通过光学透镜系统可以保证在组织治疗平面得到一个均匀的符合角膜组织弧度的光斑，并确保每点光斑垂直射入弧形角膜组织中。这种设计不仅可以保证光线柔和，而且可以保证治疗平面的能量密度均匀可控。

(2)紫外光虽然不抵达视网膜，但是紫外光会被晶状体吸收引起浑浊(白内障)，我们的设计可以使光线聚焦在前房中，减少晶状体吸收光线的能量从而避免白内障的发生。(前房是角膜与晶状体之间的空间，前房深度一般为2.5～3mm，虽然严重圆锥角膜情况下，由于角膜变薄前突，导致患者前房会加深至4mm左右，但进展期圆锥角膜和眼表感染患者的前房深度还是基本正常的。

(3)本发明提供的系统可以作为圆锥角膜、准分子屈光手术加固术、高度近视巩膜加固、眼表感染等的治疗仪器。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为人体眼部的结构示意图；

图2为不同环境的角膜张力柱状对比图；

图3为氧浓度强化治疗装置的结构示意图；

图4为光学系统的光路结构图。

图中：1-眼角膜；2-Schlemm管；3-睫状体；4-水晶体；5-晶体状悬韧带；6-眼缘；7-前房；8-LED光源；9-密封室；10-氧气检测仪；11-透镜1；12-光阑1；13-反射镜；14-调焦光源；15-散射片；16-光阑2；17-十字分划板；18-透镜2。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图4所示，本发明提供了一种利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统，包括光源系统、光学系统；其中，光源系统包括LED光源、基板、控制电路板、调节面板，光学系统包括光学扩散片、显微物镜、透镜组、瞄准光路、孔径光阑；光源系统提供光强度连续可调的UV紫外光输出，光学系统实现紫外光的均光，并且通过瞄准光路和孔径光阑实现光斑大小的分级调节。本发明将光源系统和光学系统结合在一起，能够精准的调节输出光能量、光斑大小及调整光斑位置，实现对圆锥角膜的精准治疗。

具体地，根据本发明提供的所述UV LED可调光源实现光化学交联的系统，包括光源系统和光学系统。

所述光源系统，包括：UV LED光源、基板、控制电路板、调节面板；其中：所述UV LED光源、基板、控制电路板、调节面板构成光源电路，所述基板用于集成光源电路；所述控制电路板用于控制所述UV LED光源的开启和关闭；所述调节面板能够实时调节所述UV LED光源的强度。

所述光学系统，包括：光学扩散片、显微物镜、透镜组、瞄准光路、孔径光阑；其中：所述UV紫外光依次通过光学扩散片、显微物镜、透镜组、瞄准光路、孔径光阑并输出光斑；所述UV紫外光通过光学扩散片产生光线的扩散，形成均匀的紫外光源；所述紫外光源依次穿过显微物镜和透镜组，所述显微物镜和透镜组均匀了紫外光源形成均匀光源；所述均匀光源依次通过瞄准光路和孔径光阑，所述瞄准光路和孔径光阑能够调节所述均匀光源，并形成光斑。

角膜交联治疗过程中紫外光暴露对宿主正常细胞的致突变作用也无法忽视。另外，角膜缘干细胞直接暴露于紫外光下也容易导致光化学治疗后上皮再生不良或者上皮功能失代偿。因此，对于角膜感染的疾病，由于感染或溃疡病灶可以是小面积，需要对治疗区域进行精准化控制。我们对此进行了特殊的光圈光路设计，通过调节光源系统的UV LED光源的强度以及通过调节所述UV LED可调光源实现光化学交联的系统与人眼的距离，个体化的选择光照区域，从而精准的治疗病损组织同时避免正常组织的光照。

所述UV LED可调光源实现光化学交联的系统，还包括温度测量装置。

光化学反应中可以起到组织粘合作用的有两种机制：A光热作用(Photothermalreaction)，它使组织的连接点快速地吸收热能，之后达到胶原蛋白的变性温度(温度会大大升高)，部分变性的胶原蛋白可以互相影响交织，因此，冷却后形成胶原纤维间连续的闭合。这种作用可以促进角膜或者巩膜溃疡病灶尽快的纤维化和疤痕化而起到治疗作用。B光化学作用(Photochemical react ion)，它是通过胶原蛋白分子在组织表面形成共价交联来连接的，光化学交联可以不通过温度的升高和蛋白质的变性，而且它还可以在两个层面上产生持续的分子层面的密封，核黄素-UVA交联技术治疗圆锥角膜及屈光手术后角膜膨隆主要是依靠光化学作用，如果在增强角膜交联过程中，光化学反应过度造成局部温度升高演变成光热反应为主则会引起原本透明的角膜组织浑浊甚至疤痕化，可能会导致眼球天然的透光性减低出现治疗并发症。通过远红外测温装置可以监控治疗区域的温度，防止治疗过度，然而，由于光化学治疗过程中眼组织始终在紫外光光源的暴露下，影响红外测温装置的精度。因此，我们对测温系统进行了特殊设计，具体为：所述温度测量装置包括温控防损伤装置和电源开关回路，所述温控防损伤装置能够检测UV紫外光的温度，所述电源开关回路能够控制光学系统的开启和关闭；所述温控防损伤装置控制所述电源开关回路的通断；所述温控防损伤装置检测到UV紫外光的温度数值小于等于阈值a时，所述电源开关回路开启，所述光学系统处于开启状态；所述温控防损伤装置检测到UV紫外光的温度数值大于阈值a时，所述电源开关回路关闭，所述光学系统关闭，所述光学系统停止接收UV紫外光；所述阈值a为在先设定数值。“温控防损伤装置+电源开关回路设计”可以保证治疗全程的安全监控。

所述UV LED可调光源实现光化学交联的系统，还包括：氧浓度强化治疗装置。由于光化学诱发组织交联作用是一个不同状态氧转换的过程，因此环境中的氧浓度以及湿度可以起到增强交联效果的作用。实验发现给予高浓度氧环境进行光化学治疗，可以促进光敏剂+激发光诱导的促交联作用，进一步增强角膜组织张力。根据我们未发表的实验数据，与对照组(Control组)相比，高浓度氧环境下(O₂组)可以提高交联效率(角膜张力)2.5倍且存在显著统计学差异，而正常空气环境下(Air组)可以增强角膜张力1.97倍且有统计学差异，低氧环境下(N₂组)光化学治疗没有任何增强角膜张力的效果(没有统计学差异)。目前常用的交联治疗环境为空气环境(Air组)，我们通过高氧治疗环境设计，可以提高治疗效果或者缩短治疗时间。所述氧浓度强化治疗装置包括进气导管、过滤瓶以及出气导管，其中：所述进气导管下端伸入过滤瓶的底部，进气导管上端连通空气；所述出气导管一端接入所述光学系统，进气导管另一端连通所述过滤瓶的上部；氧气通过进气导管的上端进入所述过滤瓶，从进气导管的下端流出，经过过滤瓶中的过滤液体过滤后形成高浓度氧气，所述高浓度氧气进入所述出气导管，进而进入所述光学系统。

进一步地，UV LED可调光源实现光化学交联的系统设计了一套强大的均光光学系统和瞄准系统。交联技术除了可以治疗角膜疾病(圆锥角膜、屈光手术后角膜膨隆、角膜感染等)，还可以治疗巩膜疾病(高度近视患者巩膜加固、巩膜感染、坏死性巩膜炎等)，因此在对巩膜区域的病灶进行治疗过程中，需要让眼球向某一个方位转动并固定一段时间以保证光化学反应过程中光暴露的区域的准度和精度。实际操作工程中，可以通过显微镊夹持角巩膜组织或者做眼外肌牵引缝线固定眼球，然而这些接触性操作必然会引起眼组织的损伤，因此需要一个非接触的固定眼球的方式。通过一个可调节的标识灯让病人注视可以起到固定眼位的作用，然而在交联治疗过程中需要对眼表进行紫外光的暴露，由于目前UVA激光光源的耀眼性，致使患者无法有效注视目前眼科机器中常用的标识灯，因此，我们采用对视网膜不存在光损伤的近红外发光源(Near-infrared Light,NIR)，这个设计可以在治疗过程中充分保证患者依从性、治疗区域的精准性以及全程操作的无创性。

所述UV LED可调光源实现光化学交联的系统，还包括：机械升降装置，其中，所述机械升降装置包括控制部、驱动部和升降传动部，其中：所述控制部连接所述驱动部，所述驱动部连接所述升降传动部，其中：所述控制部用于控制所述驱动部；所述驱动部用于驱动升降传动部，所述升降传动部连接所述光源系统和光学系统；进而实现所述光源系统和光学系统的上下传动。

所述UV LED可调光源实现光化学交联的系统，还包括：自动对焦装置，其中，所述自动对焦装置用于利用裂像屏方法，裂像屏中央是两个斜面交叉的楔状棱镜，由于棱镜斜面交叉，角度不同，对光线的折射角度就不同，焦点在裂像棱镜之后时形成一对实像，焦点在裂像棱镜之前时形成一对虚像，而且影像的位置与实像相反。调焦时这两个影像相互错位横移，仅当焦点在光楔斜面的交点上时，裂像重合，因此调焦精度非常高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统，其特征在于，包括：光源系统、光学系统；

所述光源系统向所述光学系统提供光能量可调的UV紫外光；

所述光学系统将UV紫外光进行均光后输出光斑。

2.根据权利要求1所述的利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统，其特征在于，所述光源系统向所述光学系统提供强度连续可调的UV紫外光；

所述光学系统将UV紫外光进行均光后输出为光斑，并对光斑的大小分级调节和/或对光斑的位置进行调节。

3.根据权利要求1所述的利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统，其特征在于，所述光源系统，包括UV LED光源、基板、控制电路板、调节面板；其中：所述UV LED光源、基板、控制电路板、调节面板构成光源电路，所述基板用于集成光源电路；所述控制电路板用于控制所述UV LED光源的开启和关闭；所述调节面板能够实时调节所述UV LED光源的强度。

4.根据权利要求1所述的利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统，其特征在于，所述光学系统，包括：光学扩散片、显微物镜、透镜组、瞄准光路、孔径光阑，其中：所述UV紫外光依次通过光学扩散片、显微物镜、透镜组、瞄准光路、孔径光阑并输出光斑；所述UV紫外光通过光学扩散片产生光线的扩散，形成均匀的紫外光源；所述紫外光源依次穿过显微物镜和透镜组，所述显微物镜和透镜组均匀了紫外光源形成均匀光源；所述均匀光源依次通过瞄准光路和孔径光阑，所述瞄准光路和孔径光阑能够调节所述均匀光源，并形成光斑。

5.根据权利要求1所述的利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统，其特征在于，还包括：温度测量装置；所述温度测量装置包括温控防损伤装置和电源开关回路，所述温控防损伤装置能够检测UV紫外光的温度，所述电源开关回路能够控制光学系统的开启和关闭；所述温控防损伤装置控制所述电源开关回路的通断；

所述温控防损伤装置检测到UV紫外光的温度数值小于等于阈值a时，所述电源开关回路开启，所述光学系统处于开启状态；

所述温控防损伤装置检测到UV紫外光的温度数值大于阈值a时，所述电源开关回路关闭，所述光学系统关闭，所述光学系统停止接收UV紫外光；

所述阈值a为在先设定数值。

6.根据权利要求1所述的利用UV LED可调光源实现光化学交联的系统，其特征在于，还包括：氧浓度强化治疗装置；所述氧浓度强化治疗装置包括进气导管、过滤瓶以及出气导管，其中：所述进气导管下端伸入过滤瓶的底部，进气导管上端连通空气；所述出气导管一端接入所述光学系统，进气导管另一端连通所述过滤瓶的上部；

氧气通过进气导管的上端进入所述过滤瓶，从进气导管的下端流出，经过过滤瓶中的过滤液体过滤后形成高浓度氧气，所述高浓度氧气进入所述出气导管，进而进入所述光学系统。