CN107303218A - 角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统 - Google Patents

角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，包括安全阈值控制系统、效能优化系统；安全阈值控制系统根据实时、非接触的组织温度测量值进行制冷调控；效能优化系统根据实时的湿度和/或氧浓度测量值进行湿度和/或氧浓度调控。本发明在保证强化光化学交联反应的情况下防止治疗过度。同时，基于光化学机制强化反应原理提供一种效能优化方法和自动化控制系统，通过控制治疗空间的氧浓度和湿度增强光化学反应交联强度，增强治疗效果。因此本发明是能够增强角膜交联效果同时降低反应副作用的系统，其特点是通过控制环境氧浓度及湿度强化交联效果，同时通过温度监测自动启动湿化的制冷装置进行局部组织降温。

Description

角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统
技术领域
本发明涉及角膜和/或巩膜交联技术的安全使用控制及效能优化，具体地，涉及角/ 巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统和方法，尤其是涉及基于光热损伤和基于光化学机制强化反应原理的自动化控制系统和方法，该系统和方法特别适用于各种基于光化学原理的角膜和/或巩膜交联技术的临床和实验室应用。角/巩膜是指角膜和/或巩膜。
背景技术
光化学交联是一种通过光敏物质在激发光源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刚度、杀伤组织内病原微生物、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。用于增强角膜张力的这种光化学技术又称为角膜交联技术。
光-组织反应主要有两种机制：A光热作用(Photothermal reaction)，光暴露下，它使组织的连接点快速地吸收能量，温度会大大升高，使胶原组织变性，引起纤维化和疤痕化。B光化学作用(Photochemical reaction)，光暴露下，它引起光敏分子转变为三线态，进而在环境氧作用下产生自由基离子，这个过程可以杀伤组织内病原微生物、在胶原纤维之间形成共价交联完成组织粘合(光化学交联过程)，这种光化学作用不引起温度的升高和蛋白质的变性。
角膜和/或巩膜交联技术在圆锥角膜、屈光手术联合加固、近视、眼表感染等疾病的治疗中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。然而依照治疗要求需要对角膜组织进行光化学作用强度的调节，目前由于缺乏安全控制系统和方法，因此，大大限制的其实际应用。
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，进一步增强组织刚度。根据我们未发表的实验数据 (附图1)，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(角膜刚度)2.5倍且存在显著统计学差异，而正常空气环境下(Air组)可以增强角膜刚度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刚度的效果(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)，而本发明有助于实现高氧治疗环境以提高治疗效果或者缩短治疗时间。
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角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统和方法。
根据本发明提供的一种角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，包括安全阈值控制系统、效能优化系统；
安全阈值控制系统根据实时、非接触的组织温度测量值进行制冷调控；
效能优化系统根据实时的湿度和/或氧浓度测量值进行湿度和/或氧浓度调控。
优选地，安全阈值控制系统包括温度探测系统、制冷系统、音频警报系统、电源控制系统；
温度探测系统根据组织温度测量值与预设的一个或多个温度阈值进行对比的对比结果，控制制冷系统、音频警报系统或者电源控制系统进行启动或关闭。
优选地，所述温度探测系统具体为：
若组织温度测量值＜温度阈值1，则温度探测系统控制制冷系统、音频警报系统、电源控制系统处于关闭状态；
若温度阈值1≤组织温度测量值＜温度阈值2，则温度探测系统控制制冷系统、音频警报系统、电源控制系统处于关闭状态；
若温度阈值2≤组织温度测量值＜温度阈值3，则温度探测系统启动制冷系统和音频警报系统，关闭电源控制系统；
若温度阈值3≤组织温度测量值，则温度探测系统启动制冷系统和音频警报系统，并启动电源控制系统以切断光源光导输入系统的电源。
优选地，温度探测系统包括温度传感器，温度传感器以远红外线发射光为讯号，在不接触待测组织情况下测量温度，得到组织温度测量值；
制冷系统包括鼓风机和/或压缩式制冷机，以鼓风机单独或联合压缩式制冷机进行制冷。
优选地，效能优化系统包括湿度输入调节系统、氧浓度输入调节系统、湿度探测系统、氧浓度探测系统；
湿度输入调节系统根据湿度探测系统采集得到的测量湿度与预设湿度值进行对比，并根据比对结果进行湿度输入调控；
氧浓度输入调节系统根据氧浓度探测系统采集得到的测量氧浓度与预设氧浓度进行对比，并根据对比结果进行湿度输入调控。
优选地，湿度输入调节系统具体为：
若测量湿度＜预设湿度值，则湿度输入调节系统对加湿器进行调控以增加湿度；
若测量湿度≥预设湿度值，则湿度输入调节系统关闭加湿器以停止增加湿度。
优选地，氧浓度输入调节系统具体为：
若测量氧浓度＜预设氧浓度值，则氧浓度输入调节系统对氧气输入系统进行调控以提高氧浓度；
若测量氧浓度≥预设氧浓度值，则氧浓度输入调节系统对氧气输入系统进行调控以停止提高氧浓度。
优选地，温度阈值1的范围：37±1℃；温度阈值2的范围：42±2℃；温度阈值3 的范围：47±2℃。
优选地，预设湿度值的范围：20％～100％；预设氧浓度的范围：20％～100％。
优选地，还包括透明封闭罩；
透明封闭罩提供透明封闭治疗空间；
安全阈值控制系统在透明封闭治疗空间内采集组织温度测量值进行制冷调控；
效能优化系统在透明封闭治疗空间内采集湿度测量值和/或氧浓度测量值，并进行湿度和/或氧浓度调控。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明基于光热损伤原理提供一种的温控装置对治疗区域的温度进行监测和控制，通过安全阈值温度的设定启动防护系统或者电源关闭系统，在保证强化光化学交联反应的情况下防止治疗过度。同时，基于光化学机制强化反应原理提供一种效能优化方法和自动化控制系统，通过控制治疗空间的氧浓度和湿度增强光化学反应交联强度，增强治疗效果。因此本发明是能够增强角膜交联反应效能、同时降低其副作用的系统，其特点是通过控制治疗空间氧浓度和湿度优化治疗效能，通过温度监测自动启动的制冷装置进行局部组织环境温度控制。
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为高浓度氧等不同环境下交联效率(角膜张力)的试验数据示意图。
图2为安全阈值控制系统的结构及控制原理示意图。
图3为效能优化系统的结构及控制原理示意图。
图1中的“**”表示与对照组(Control)相比，高氧环境组(O2)组织刚度增强有显著的统计学差异(p＜0.01)，“*”表示与对照组(Control)相比，常氧环境/空气组(Air)组织刚度增强有统计学差异(p＜0.05)。
图2中的电源控制系统，是在温度过高时切断外接光源输入系统模块的电源。
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。
本发明提供基于光热和光化学反应原理的角膜和/或巩膜交联技术的安全阈值控制系统以及该控制系统的控制方法，以克服现有角膜和/或巩膜交联仪器不能智能、安全、充分使用效能的缺陷。
本发明提供的角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，包括安全阈值控制系统和效能优化系统。安全阈值控制系统和效能优化系统具体包括温度探测系统、制冷系统、湿度输入调节系统、氧浓度输入调节系统、音频报警系统以及电源控制系统，安全阈值控制系统和效能优化系统的这几个子系统进行关联。
本发明通过安全阈值控制系统根据实时、非接触的组织温度监测值进行制冷系统的自动化智能调控，使得待测组织的温度参数始终处于一个恒定的范围内。安全阈值控制系统主要包括温度探测系统和制冷系统。温度探测系统设双重温度阈值，第一重温度阈值为警报阈值，关联音频警报系统，第二重温度阈值为保护阈值，关联电源控制系统的电源开关回路装置。
本发明通过效能优化系统根据实时封闭空间内的相对湿度和氧浓度进行自动化智能调控，使得封闭空间内氧浓度和相对湿度始终处于一个预先设定的范围内。效能优化系统主要包括湿度输入调节系统和氧浓度输入调节系统，还包括实时显示系统和浓度设定系统。基于这种安全阈值控制系统利用光热损伤和光化学反应原理，对角膜和/或巩膜交联反应进行实时安全控制和智能自动保护设定，防止由于光化学反应过度引起的角膜组织损伤的目的。
如图2所示，温度探测系统实时监测眼表组织温度，得到组织温度测量值(简称温度测量值)，通过与制冷系统和电源控制系统关联，依照预设的不同温度阈值进行制冷系统的自动化反馈式调节或电源控制系统的关闭。温度探测系统根据温度测量值启动不同系统(制冷系统，音频警报系统，电源控制系统)，其中，温度阈值1＜温度阈值2 ＜温度阈值3。具体算法如下：
(1)温度测量值＜温度阈值1，不启动任何系统
(2)温度阈值1≤温度测量值＜温度阈值2，关闭制冷系统
(3)温度阈值2≤温度测量值＜温度阈值3，启动制冷系统和音频警报系统
(4)温度阈值3≤温度测量值，控制电源控制系统停止供电，切断电源
温度探测系统包括温度传感器，温度传感器以远红外线发射光为讯号，在不接触待测组织情况下测量温度，得到温度测量值；
制冷系统包括鼓风机，以鼓风机单独或联合压缩式制冷机进行制冷；
温度阈值1、温度阈值2、温度阈值3这三个温度阈值均可调节，其中：
-温度阈值1：优选值：37℃，可选范围：37±1℃
-温度阈值2：优选值：40℃，可选范围：42±2℃
-温度阈值3：优选值：45℃，可选范围：47±2℃
若高于温度阈值2上限1℃(45℃)，则可能导致治疗过程中角膜内皮细胞和/或角膜缘干细胞热损伤，引起治疗后角膜内皮细胞失代偿和/或上皮细胞再生障碍，损害角膜内皮生理功能可能出现角膜雾样改变，甚至不可逆性角膜混浊影响视功能。若高于温度阈值3上限1℃(50℃)，则有可能出现即时光热损伤，引起治疗过程中眼表组织缺血缺氧、角膜基质胶原蛋白变性、失去透明度，可能直接出现术中并发症、诱发术后眼表组织炎症反应、新生血管化、感染倾向等，出现不可逆的角膜变性和/或新生血管，导致视力即时下降。
如图3所示，效能优化系统包括湿度输入调节系统、氧浓度输入调节系统、湿度探测系统、氧浓度探测系统。湿度探测系统、氧浓度探测系统、温度探测系统连接透明封闭治疗空间，透明封闭治疗空间还连接光源光导输入系统(交联机器治疗光源光导系统)。其中湿度探测系统与湿度输入调节系统关联，氧浓度探测系统与氧浓度输入调节系统关联。具体算法如下：
(1)透明封闭治疗空间内：测量湿度＜预设湿度值，启动湿度输入调节系统，以增加透明封闭治疗空间内的湿度；测量湿度≥预设湿度值，关闭湿度输入调节系统，停止增加透明封闭治疗空间内的湿度。
(2)透明封闭治疗空间内：测量氧浓度＜预设氧浓度值，启动氧浓度输入调节系统，以增加透明封闭治疗空间内的氧浓度；测量氧浓度≥预设氧浓度值，关闭氧浓度输入调节系统，以停止增加透明封闭治疗空间内的氧浓度。
湿度探测系统包括湿度探测器和加湿系统，湿度探测器以氯化锂或氧化铝湿度计为主要部件，加湿系统以超声波雾化加湿器为主要部件，加湿系统与湿度输入调节系统通过电路板进行连接，按照预设湿度作为阈值进行智能开关。
氧浓度探测系统包括氧探头和氧气输入系统，氧气输入系统以制氧机为主要部件，制氧机通过分子筛物理吸附和解吸技术实现，氧探头与氧浓度输入调节系统通过电路板进行连接，按照预设氧浓度值作为阈值进行智能开关。
预设湿度值和预设氧浓度预设值均可调节，其中：
-预设湿度值(相对湿度)：优选值：85％，可选范围：20％～100％
-预设氧浓度：优选值：60％，可选范围：20％～100％，可选的，预设氧浓度可选范 围可以为30％～100％
正常眼表由于生理性瞬目的存在，能够保持眼表泪膜(一层液体的膜层)的稳定存在，起到滋润和保护角膜组织、维持其生理结构正常状态的作用。然而光化学交联过程中，需要将眼表暴露在光照下，眼表环境易于干燥，如果眼表微环境湿度过低(低于20％)，同时没有生理性瞬目的存在，干燥环境可以导致角膜上皮损害、角膜炎倾向，严重时会诱发术后干眼症、角膜感染，因此保证治疗过程中的眼表微环境处于一个湿润的环境较为重要。
组织周围环境中的氧参与了光化学交联的过程，没有环境氧分子的参与，光敏分子无法在激光作用下转变为三线态的物质，也无法产生后续的光化学交联作用，如果低于正常空气氧浓度(21％)，则无法保证治疗效果的稳定性，因此治疗过程中维持稳定的微环境氧浓度状态对于保证交联治疗的效果(增强组织刚度)极为重要。
我们未发表的研究观察了不同氧浓度环境下光化学交联作用的效力，结果显示(附图1)：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(角膜刚度)2.5倍且存在显著统计学差异，而正常空气环境下(Air组)可以增强角膜刚度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刚度的效果(没有统计学差异)。通过外源性控制组织周围微环境内的氧浓度可以大大增强交联效果。
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 (10)

1.一种角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，其特征在于，包括安全阈值控制系统、效能优化系统；
安全阈值控制系统根据实时、非接触的组织温度测量值进行制冷调控；
效能优化系统根据实时的湿度和/或氧浓度测量值进行湿度和/或氧浓度调控。
2.根据权利要求1所述的角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，其特征在于，安全阈值控制系统包括温度探测系统、制冷系统、音频警报系统、电源控制系统；
温度探测系统根据组织温度测量值与预设的一个或多个温度阈值进行对比的对比结果，控制制冷系统、音频警报系统或者电源控制系统进行启动或关闭。
3.根据权利要求2所述的角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，其特征在于，所述温度探测系统具体为：
若组织温度测量值＜温度阈值1，则温度探测系统控制制冷系统、音频警报系统、电源控制系统处于关闭状态；
若温度阈值1≤组织温度测量值＜温度阈值2，则温度探测系统控制制冷系统、音频警报系统、电源控制系统处于关闭状态；
若温度阈值2≤组织温度测量值＜温度阈值3，则温度探测系统启动制冷系统和音频警报系统，关闭电源控制系统；
若温度阈值3≤组织温度测量值，则温度探测系统启动制冷系统和音频警报系统，并启动电源控制系统以切断光源光导输入系统的电源。
4.根据权利要求2所述的角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，其特征在于，温度探测系统包括温度传感器，温度传感器以远红外线发射光为讯号，在不接触待测组织情况下测量温度，得到组织温度测量值；
制冷系统包括鼓风机和/或压缩式制冷机，以鼓风机单独或联合压缩式制冷机进行制冷。
5.根据权利要求1所述的角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，其特征在于，效能优化系统包括湿度输入调节系统、氧浓度输入调节系统、湿度探测系统、氧浓度探测系统；
湿度输入调节系统根据湿度探测系统采集得到的测量湿度与预设湿度值进行对比，并根据比对结果进行湿度输入调控；
氧浓度输入调节系统根据氧浓度探测系统采集得到的测量氧浓度与预设氧浓度进行对比，并根据对比结果进行湿度输入调控。
6.根据权利要求5所述的角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，其特征在于，湿度输入调节系统具体为：
若测量湿度＜预设湿度值，则湿度输入调节系统对加湿器进行调控以增加湿度；
若测量湿度≥预设湿度值，则湿度输入调节系统关闭加湿器以停止增加湿度。
7.根据权利要求5所述的角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，其特征在于，氧浓度输入调节系统具体为：
若测量氧浓度＜预设氧浓度值，则氧浓度输入调节系统对氧气输入系统进行调控以提高氧浓度；
若测量氧浓度≥预设氧浓度值，则氧浓度输入调节系统对氧气输入系统进行调控以停止提高氧浓度。
8.根据权利要求3所述的角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，其特征在于，温度阈值1的范围：37±1℃；温度阈值2的范围：42±2℃；温度阈值3的范围：47±2℃。
9.根据权利要求5所述的角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，其特征在于，预设湿度值的范围：20％～100％；预设氧浓度的范围：20％～100％。
10.根据权利要求1所述的角/巩膜交联技术的安全控制及效能优化系统，其特征在于，还包括透明封闭罩；
透明封闭罩提供透明封闭治疗空间；
安全阈值控制系统在透明封闭治疗空间内采集组织温度测量值进行制冷调控；
效能优化系统在透明封闭治疗空间内采集湿度测量值和/或氧浓度测量值，并进行湿度和/或氧浓度调控。
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Citations (10)

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