CN108478192A - 一种用于估测皮肤组织微血管深度的测量系统 - Google Patents

Abstract

一种用于估测皮肤组织微血管深度的测量系统，包括生物组织样本信息采集模块、光源模块、散斑成像模块、精密反射信号测量模块、辐射反方法分析模块、评估和校正模块；基于这6个模块，先采集皮肤组织样本信息，得到皮肤组织模型及组织光学参数；再通过散斑系统获得病灶微血管的血流及血管二维轮廓信息，并依据图像识别得到血管直径；然后通过反射信号测量获得组织样本的高精度反射信号；最后将上述三种信息作为输入参数进入辐射反方法分析模块，得到病灶微血管深度的估测值，评估激光能量在皮肤组织中的分布规律；然后再结合血流信息，得出推荐的激光热疗参数，为提高诸如葡萄酒色斑等血管性皮肤病的临床治疗效果提供理论指导。

Description

一种用于估测皮肤组织微血管深度的测量系统

技术领域

本发明属于医疗器械领域，特别涉及一种用于估测皮肤组织微血管深度的测量系统，主要应用于血管性皮肤病激光热疗的科学研究和临床实践。结合实验测量和理论反演方法估测病灶微血管深度，为评估和优化激光热疗参数提供理论指导。

背景技术

血管性皮肤病一般指原发于皮肤组织真皮微血管的一类皮肤疾病，如葡萄酒色斑、血管瘤、紫癜等。这些疾病轻则导致发病部位皮肤组织颜色加深，重则导致局部组织恶性畸形或畸变，或出现其他并发症，甚至危及患者生命健康。许多情况下血管性疾病的发病机理难以查明，目前激光是多种血管性皮肤病的有效治疗手段。

以先天血管性皮肤病葡萄酒色斑(port wine stains，PWS，亦称为鲜红斑痣)为例，PWS主要由皮肤浅层的真皮毛细血管畸形或畸变引起，多发于面颈部，在新生儿的发病率高达0.3％～0.5％。由于PWS的发病部位多为暴露位置，会对患者容貌造成极大影响，患者易产生自卑心理，并伴随极大的精神压力和严重的心理障碍，如不及早介入治疗，将终生影响生活质量。

PWS的临床治疗较为棘手，目前除了激光热疗手术外尚无更好的疗法。激光治疗PWS的基本原理是选择性光热效应，通过选择特定波长的激光，使得血色素(主要是血红蛋白)具有较高的光吸收能力。激光照射过程中，血色素吸收的激光能量转化为热量并导致血液的凝结，随后通过导热作用传导至血管壁，引起血管的热损伤，从而达到治疗病变血管的目的。而血管周围的正常组织对该波长的激光不敏感，从而避免了热损伤。实际治疗过程中，激光波长的选择至关重要。首先需要最大限度的体现“选择性”加热。由于激光需要穿透表皮组织到达位于真皮的病灶微血管区域，因此需要对波长进行甄选，使得血液具有较高的吸收(保证足够的能量对血管进行热清除)，而表皮色素的吸收较低(避免对表皮形成有效热损伤)。其次需要保证加热的“有效性”。意味着激光传播至病灶血管深度时仍具有较强的加热功率。以上原则决定了激光热疗效果的好坏。遗憾的是，目前由于缺乏对激光与生物组织相互作用机理的深入认知，亦缺乏有效的皮肤组织结构无损探测手段，尤其是针对PWS皮肤组织中病灶微血管结构信息估测方案，故临床实际治疗仍主要依据医师经验，完全治愈率较低，已接近10年都维持在低于20％的水平。

对皮肤组织病变微血管的精细探测是研究激光与生物组织相互作用机理的前提，也是血管性皮肤病的激光治疗迈向个性化、精准化和智能化的先决条件。具体到PWS的激光热疗，需要获得病灶微血管大小和深度。除此之外，由于激光热疗的生理指标是热致血栓的形成，如何实时监测是否形成完全堵塞血管的血栓也是评价治疗有效性手段。

PWS包含多种形态的病变微血管，血管的直径、深度及其在真皮中的含量均不相同。PWS病变血管的直径30至300微米，血管深度为100至1000微米，平均深度为460微米。目前成熟的商业成像手段对这样细微的结构难以精确成像，如超声系统、计算机断层成像(CT)、核磁共振成像等仅可以对人体大血管(直径在300～1000微米及以上)成像；共聚焦显微等虽然能够获得较小的空间分辨率，但穿透深度太浅(约100微米)；最新的光学相干断层扫描(OCT)技术成本昂贵，且无法对运动目标成像也即无法测量血流、监测血栓形成。激光散斑对比度成像技术很有潜力，但通过散斑图像仅可测量微血管的大小和血流信息，但无法测量微血管深度。以上技术问题普遍存在于血管性皮肤病的激光手术治疗及术前诊断，即根据病灶微血管的深度信息、实时的血流及血栓形成信息等制定或优化相应的激光治疗参数。截至目前，在研究机构或医疗器械市场上尚不存在有效的能够用以估测皮肤微血管深度信息且实时监测微血管血流信息的测量系统或设备，也未见相关方法的文献报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于估测皮肤组织微血管深度的测量系统，通过反射信号测量，获得了组织样本光学参数、血流信息、血管大小等信息，并能够动态评估激光热疗参数，基本实现了皮肤组织微血管，尤其是针对血管性皮肤病病灶微血管深度信息的无损探测，做到了实时、快速、智能响应。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于估测皮肤组织微血管深度的测量系统，包括生物组织样本信息采集模块、光源模块、散斑成像模块、精密反射信号测量模块、辐射反方法分析模块、评估和校正模块。

所述的生物组织样本信息采集模块用于采集生物组织的样本信息，包括通过皮肤镜获得的皮肤组织类型、通过静脉血液检测得到的血液生理和光学参数；得到皮肤组织模型与组织光学参数，作为辐射反方法分析模块的输入参数。

所述的光源模块由小功率的氦氖激光器及备用探测光源构成，氦氖激光器用于散斑成像模块和精密反射信号测量模块的探测光源，在氦氖激光器不便使用的情况下，选择备用光源用于反射信号测量，以得到更好的反射信号分辨度。

所述的散斑成像模块用于观察皮肤组织样本中目标微血管直径、血流速度和血栓状态信息，进一步用于监测激光热疗过程中血栓的形成与否；所得到目标微血管直径作为辐射反方法分析模块的输入参数，所得到的血流速度及血栓状态信息作为评估和校正模块的输入参数。

所述的精密反射信号测量模块用于皮肤组织样品反射信号的获取，将所得的数据作为辐射反方法分析模块的输入参数。

所述的辐射反方法分析模块结合生物组织样本信息采集模块的输出、精密反射信号测量模块的输出与散斑成像模块中血管直径的测量值，通过基于蒙特卡洛光传播模型的辐射反方法进行数值迭代，反演目标微血管的深度，并得到能量沉积评估；所得到的目标微血管深度和能量沉积评估作为评估和校正模块的输入参数。

所述的评估和校正模块的输入参数包括皮肤组织样本的测量反射信号，通过辐射反方法分析模块得到的目标微血管深度、能量沉积的评估值，以及散斑成像模块得到的血流速度和血栓状态信息，评估和校正模块输出推荐的激光治疗参数，用于指导激光热疗方案的制定和实施。事实上，评估过程在于通过分析激光治疗前后的反射信号变化、动态评估当前激光疗程的热疗效果，校正过程则是根据当前的热疗效果修正新的激光治疗参数，校正后的激光治疗参数一旦在评估过程中确认有效，将更新至病例及治疗参数数据库，作为激光热疗的规范程序。

所述的辐射反方法分析模块的基本流程如下：预先假设微血管深度，然后通过蒙特卡洛光传播模拟计算反射信号，并与精密反射信号测量模块的测量信号值进行对比，通过调整假设的血管深度，使得计算反射信号值与测量信号值吻合，此时血管深度即可作为病灶微血管真实深度的估测值；事实上，根据能量守恒有：

R_C+A_e+A_d+A_b+T_t+E_s＝1

其中假定入射能量总份额为1，R_C为计算漫反射率，A_e、A_d和A_b分别为生物组织中表皮、真皮和血管区域对激光能量的吸收率，T_t为透射率，E_s为能量逃逸率；对于合适的入射光源，目标区域即血管部分具有较高的吸收系数，因此微血管的几何位置即深度d、大小即直径D不仅直接决定其能量吸收率A_b，还会对光子在整个生物组织区域中的运动轨迹产生影响，进而影响漫反射率R_C，因此，R_C与d呈正相关关系，与D呈负相关关系：

R_C∝d且R_C∝1/D。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过反射信号测量，基本实现了对皮肤组织，尤其是血管性皮肤病如PWS等微血管深度信息的无损探测。

2、本发明在探测微血管深度信息的同时，还获得了组织样本光学参数、血流信息、血管大小等信息，并能够动态评估激光热疗参数，并及时修正下一步的治疗法案，切实做到了实时、快速、智能响应。

3、本装置集成度较高，人机交互方便，操作简便，并可以根据病人个性差异，灵活有效调节治疗参数，可与任一款激光治疗仪器进行搭配使用，能够较大程度提高对血管性皮肤病尤其是PWS的治疗效果，缩短治疗次数，减轻病人治疗痛苦，降低治疗费用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是辐射反方法分析模块的算法示意图。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细的描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参照图1，一种用于估测皮肤组织微血管深度的测量系统，包括生物组织样本信息采集模块、光源模块、散斑成像模块、精密反射信号测量模块、辐射反方法分析模块、评估和校正模块。

所述的生物组织样本信息采集模块采集生物组织的样本信息，包括皮肤镜获得的组织样本皮肤类型、通过静脉血液检测得到的血液生理和光学参数；得到的皮肤组织模型与组织光学参数，作为辐射反方法分析模块的输入参数。

所述的光源模块由小功率的氦氖激光器及备用探测光源构成，氦氖激光器用于散斑成像模块和精密反射信号测量模块的探测光源，在氦氖激光器无法使用或效果不佳的情况下，选择备用光源用于反射信号测量，以得到更高的反射信号分辨度。

备用光源须包括可输出连续波长的宽带光源(在实际应用中可灵活配备，如氙光源可在220～750nm波长范围内提供稳定输出)，一般需要覆盖所针对的血管性皮肤病的激光波长窗口(例如PWS的经典治疗波长目前有532、577、585、595、755、1064nm等)。

所述的散斑成像模块通过分析激光散斑衬比图像，得到关于血管血液的流动信息，并显现目标血管的二维轮廓。由于激光散斑成像具有实时的特点，故可同时在激光热疗前以及热疗过程中观察目标微血管直径、血流速度和血栓状态等信息，进一步监测激光热疗过程中血栓的形成与否，将所得数据作为辐射反方法分析模块、评估和校正模块的输入参数。

所述的精密反射信号测量模块用于皮肤组织样品反射信号的获取，将所得数据作为辐射反方法分析模块的输入参数。

所述的辐射反方法分析模块结合生物组织样本信息采集模块的输出、精密反射信号测量模块的输出与散斑成像模块中血管直径的测量值，基于蒙特卡洛光传播模拟的辐射反方法，通过数值迭代反演目标微血管的深度，同时还可以给出组织各个区域激光能量沉积的分布规律，得到能量沉积评估；然后结合散斑成像模块的血流速度及血栓状态，依据评估和校正模块得到推荐的激光治疗参数。

所述的评估和校正模块的输入参数包括皮肤组织样本的测量反射信号，通过辐射反方法分析模块得到的目标微血管深度、能量沉积的评估值，以及散斑成像模块得到的血流速度和血栓状态信息。评估和校正模块通过分析激光治疗前后的反射信号变化，动态评估当前激光脉冲疗程的热疗效果，根据当前的热疗效果校正新的激光治疗参数，校正后的激光治疗参数一旦在评估系统中确认有效，将更新至病例及治疗参数数据库，当该数据库更新至一定程度后(具备可观数据量)，作为激光热疗的规范程序。事实上，推荐的激光治疗参数除了通过人机/机机接口用于激光热疗。可动态评估当前激光脉冲疗程的热疗效果。机-机或人-机信息的交互渠道。一方面保证了智能化、自动化治疗过程的开展。

参照图2，所述的辐射反方法分析模块，在既定的皮肤组织模型中，已知血管直径及光学参数，可预先假设微血管深度，然后通过蒙特卡洛光传播模拟计算反射信号，并与测量的反射信号值进行对比，通过调整假设的血管深度，使得计算反射信号值与测量反射信号值吻合，此时假设的血管深度即可作为病灶微血管真实深度的估测值。

基本流程如下：预先假设微血管深度，然后通过蒙特卡洛光传播模拟计算反射信号，并与精密反射信号测量模块的测量信号值进行对比，通过调整假设的血管深度，使得计算反射信号值与测量信号值吻合，此时血管深度即可作为病灶微血管真实深度的估测值；事实上，根据能量守恒有：

R_C+A_e+A_d+A_b+T_t+E_s＝1

其中假定入射能量总份额为1，R_C为计算漫反射率，A_e、A_d和A_b分别为生物组织中表皮、真皮和血管区域对激光能量的吸收率，T_t为透射率，E_s为能量逃逸率；对于合适的入射光源，目标区域即血管部分具有较高的吸收系数，因此微血管的几何位置即深度d、大小即直径D不仅直接决定其能量吸收率A_b，还会对光子在整个生物组织区域中的运动轨迹产生影响，进而影响漫反射率R_C，因此，R_C与d呈正相关关系，与D呈负相关关系：

R_C∝d且R_C∝1/D。

Claims (2)

1.一种用于估测皮肤组织微血管深度的测量系统，其特征在于，包括生物组织样本信息采集模块、光源模块、散斑成像模块、精密反射信号测量模块、辐射反方法分析模块、评估和校正模块；

所述的生物组织样本信息采集模块用于采集生物组织的样本信息，包括通过皮肤镜获得的皮肤组织类型、通过静脉血液检测得到的血液生理和光学参数；得到皮肤组织模型与组织光学参数，作为辐射反方法分析模块的输入参数；

所述的光源模块由小功率的氦氖激光器及备用探测光源构成，氦氖激光器用于散斑成像模块和精密反射信号测量模块的探测光源，在氦氖激光器不便使用的情况下，选择备用光源用于反射信号测量，以得到更好的反射信号分辨度；

所述的散斑成像模块用于观察皮肤组织样本中目标微血管直径、血流速度和血栓状态信息，进一步用于监测激光热疗过程中血栓的形成与否；所得到目标微血管直径作为辐射反方法分析模块的输入参数，所得到的血流速度及血栓状态信息作为评估和校正模块的输入参数；

所述的精密反射信号测量模块用于皮肤组织样品反射信号的获取，将所得的数据作为辐射反方法分析模块的输入参数；

所述的辐射反方法分析模块结合生物组织样本信息采集模块的输出、精密反射信号测量模块的输出与散斑成像模块中血管直径的测量值，通过基于蒙特卡洛光传播模型的辐射反方法进行数值迭代，反演目标微血管的深度，并得到能量沉积评估；所得到的目标微血管深度和能量沉积评估作为评估和校正模块的输入参数；

所述的评估和校正模块的输入参数包括皮肤组织样本的测量反射信号，通过辐射反方法分析模块得到的目标微血管深度、能量沉积的评估值，以及散斑成像模块得到的血流速度和血栓状态信息；评估和校正模块输出推荐的激光治疗参数，用于指导激光热疗方案的制定和实施；事实上，评估过程在于通过分析激光治疗前后的反射信号变化、动态评估当前激光疗程的热疗效果，校正过程则是根据当前的热疗效果修正新的激光治疗参数；校正后的激光治疗参数一旦在评估过程中确认有效，将更新至病例及治疗参数数据库，作为激光热疗的规范程序。

2.根据权利要求1所述的一种用于估测皮肤组织微血管深度的测量系统，其特征在于，所述的辐射反方法分析模块的基本流程如下：预先假设微血管深度，然后通过蒙特卡洛光传播模拟计算反射信号，并与精密反射信号测量模块的测量信号值进行对比，通过调整假设的血管深度，使得计算反射信号值与测量信号值吻合，此时血管深度即可作为病灶微血管真实深度的估测值；事实上，根据能量守恒有：

R_C+A_e+A_d+A_b+T_t+E_s＝1

其中假定入射能量总份额为1，R_C为计算漫反射率，A_e、A_d和A_b分别为生物组织中表皮、真皮和血管区域对激光能量的吸收率，T_t为透射率，E_s为能量逃逸率；对于合适的入射光源，目标区域即血管部分具有较高的吸收系数，因此微血管的几何位置即深度d、大小即直径D不仅直接决定其能量吸收率A_b，还会对光子在整个生物组织区域中的运动轨迹产生影响，进而影响漫反射率R_C，因此，R_C与d呈正相关关系，与D呈负相关关系：

R_C∝d且R_C∝1/D。