CN108956564B - 光敏剂浓度检测装置、系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光敏剂浓度检测装置、系统和方法，光敏剂浓度检测装置包括：光纤、反射镜、耦合器、第一二向色镜和第二二向色镜；其中，光纤的一端设置反射镜，另一端与耦合器连接，耦合器、第一二向色镜和第二二向色镜依次处于同一直线上。该光敏剂浓度检测装置应用于光敏剂浓度检测系统，便于精确捕获自体荧光和光敏剂荧光信号，快速计算积分值并进行浓度分析，能很好地适用于基于荧光强度比的光敏剂浓度计算方法中，大幅度提高了光动力治疗效率，节约了成本，由于体积小巧，十分适合于内窥镜的实时在体检测。

Description

光敏剂浓度检测装置、系统以及方法

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及一种光敏剂浓度检测装置、系统以及方法。

背景技术

光敏剂浓度是光动力治疗过程中非常重要的一个参数，实时在体的组织内光敏剂浓度的精确测定有利于提高光动力治疗效果，实现精准化治疗。

现有的光敏剂浓度测定方法主要有基于扩散近似理论或基于随机行走理论建模的反射式分光光度计法以及荧光光谱法，由于误差较大，均还停留在离体测量和理论研究阶段，较难应用于临床过程；因此，在实际光动力临床治疗中，由于无法准确的获得实时光敏剂浓度分布，无法确定每一位患者注入光敏剂后某些时间段的光敏剂浓度是否达到光动力治疗标准，从而使得光动力治疗效果大打折扣，也限制了其应用。

目前，通过荧光光谱法测定离体光敏剂浓度主要基于光敏剂吸收某些波长的光子而被激发以后，能够产生荧光辐射，通过采集光敏剂的荧光光谱，对病变组织的荧光强度定性或定量分析，从而得出病变组织中光敏剂的含量和分布情况，例如，基于CCD拾取光动力荧光影像，再通过肉眼分辨。但是，由于受激发光的强度、光源离待测部位的距离以及探测端与待测物的夹角等诸多因素的影响，在不同的测量条件下测得的荧光强度值是不一样的，根据现有方法，将检测到的荧光强度直接作为光敏剂荧光强度，即绝对荧光强度，进行分析，并用于获得病变部位的光敏剂浓度，这样的方法是不够准确和有缺陷的，测得的浓度难以真实地实时反映出组织内光敏剂的实际浓度，从而一定程度上影响光动力治疗的效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低廉且适于精确测定、内窥镜可用的光敏剂浓度检测装置、系统以及方法，基于荧光强度比法原理，旨在较好地排除光敏剂浓度测定中各种干扰因素，实现对内腔光敏剂浓度的实时准确检测的目的。

为实现上述目的，本发明提供一种光敏剂浓度检测装置，

所述光敏剂浓度检测装置如附图1所示，该装置包括：

光纤5、反射镜6、耦合器3、第一二向色镜2和第二二向色镜8；

其中，光纤5的一端设置有反射镜6，另一端与耦合器3连接，

耦合器3、第一二向色镜2和第二二向色镜8依次处于同一直线上，第一二向色镜2和第二二向色镜8分别与耦合器端出射的光束斜切；反射镜6与光纤5的一端射出的光束斜切；

上述装置能够使得外界光源提供的发射光经第一二向色镜2反射后，依次经过耦合器3、光纤5，再被反射镜6反射照射预先摄入光敏剂的待治疗组织，

并使得待治疗组织接收光照后发出的荧光经反射镜6反射，并依次经过光纤5、耦合器3和第一二向色镜2，射向第二二向色镜8，分离为小于λ2的自体荧光，记为荧光X，和光敏剂荧光与大于λ2的自体荧光的混合光，记为荧光Y；

其中，第一二向色镜2的截止波长为λ1，大于反射光波长并小于自体荧光波长，第二二向色镜8的截止波长为λ2，大于λ1，并小于光敏剂荧光波长。

需要说明的是，其中，来自待治疗组织的荧光包括：待治疗组织中的光敏剂受激发发出的光敏剂荧光和待治疗组织本体受激发发出的自体荧光；此外，照射待治疗组织的光源发射光中未被待治疗组织吸收的部分残余光会折返，随荧光一起进入光敏剂浓度检测装置，并沿原路返回。

可选地，光敏剂浓度检测装置还包括包层4，所述光纤5、反射镜6设置在包层4内，包层4上靠近反射镜6的一端设置通光孔7’，被反射镜6反射的光从通光孔7’射出，照射待治疗组织。

可选地，在第二二向色镜8的反射光方向还设置聚焦透镜9，用以聚焦经第二二向色镜8反射的荧光；

可选地，在第二二向色镜8的透射光方向还设置聚焦透镜12，用以聚焦经第二二向色镜8透射的荧光；

可选地，在通光孔内设置聚焦透镜7，聚焦透镜7大小与通光孔相适应,用以聚焦射向待治疗组织的光源发射光和聚焦来自待治疗组织的荧光射向反射镜6。

可选地，反射镜6与探头端出射光束的轴线斜切的角度为30～60度，优选45度。

可选地，第一二向色镜2、第二二向色镜8与从耦合器3出射光束的轴线斜切的角度为30～60度，优选45度。

可选地，第一二向色镜2和第二二向色镜8为活动设置，便于具有不同截止波长的第一二向色镜2或第二二向色镜8的替换，以适应光敏剂种类和待治疗组织的不同。

可选地，第二二向色镜8为长波通二向色镜，反射荧光X，透射荧光Y。

可选地，光敏剂浓度检测装置还包括转动部件和一维平移台18，

所述转动部件包括第一转动部件17，第二转动部件16以及电机15；第一转动部件17套设在光纤5上并与第二转动部件16通过齿轮啮合，第二转动部件16与电机15的转轴固定连接并与所述转轴同轴旋转，从而带动第一转动部件17与光纤5同轴旋转；

所述一维平移台18与光纤5滑动连接，滑动方向与光纤5轴线平行。

可选地，光纤5旋转和滑动分别可以是连续的，并且可以同时进行。

可选地，所述一维平移台为一维电动平移台。

根据本发明的实施例，本发明还提供一种光敏剂浓度检测系统，

包括光源1、光敏剂浓度检测装置、信号采集装置和分析控制装置14；

所述光源1用于提供射向光敏剂浓度检测装置的发射光；

所述光敏剂浓度检测装置如前所述，用于传导发射光以照射待治疗组织，并传导和分离待治疗组织的荧光以供探测；

所述信号采集装置用于分别探测荧光X和荧光Y，并经信号转换传后输出，

所述分析控制装置与信号采集装置连接，用于基于信号采集装置输出的的信号，确定待治疗组织的光敏剂浓度。

可选地，所述光源选自激光光源、发光二极管LED光源，或其它可提供与激光单色性相近或比激光单色性更优越的单色光光源。

可选地，所述光源提供的发射光的波长和强度根据光敏剂吸收光谱特征和荧光光谱特征共同确定，并随光敏剂的不同而可调节。

可选地，所述光敏剂浓度检测装置用于传导发射光以照射待治疗组织，并传导和分离待治疗组织的荧光以供探测，包括：

通过第一二向色镜2反射来自光源的发射光至耦合器3；

通过耦合器3将反射来的光源发射光光束耦合进入光纤5；

利用光纤5传导经耦合器3耦合的光源发射光传导至探头端射出；

通过反射镜6反射从光纤5的探头端射出的光源发射光，用于照射预先摄入光敏剂的待治疗组织，使得待治疗组织中的光敏剂受激发发光；

再通过反射镜6将来自待治疗组织的荧光反射进入光纤中；

光纤5接收和传导经反射镜6反射的信号光，并经耦合器3射出至第一二向色镜2；

第一二向色镜2选择性的透射从耦合器3射出的的荧光至第二二向色镜8；

第二二向色镜8根据截止波长λ₂将探测到的荧光分离为荧光X和荧光Y。

可选地，信号采集装置包括：光电探测器10、光电探测器13以及数据采集卡11；

光电探测器10的一端为接收荧光X的光接受面，另一端与数据采集卡11连接，用于接收的荧光X并转换成电信号后输出；

光电探测器13的一端为接收荧光Y的光接受面，另一端与数据采集卡11连接，用于接收的荧光Y并转换成电信号后输出；

数据采集卡11进一步与分析控制装置连接，用于采集经光电探测器10和光电探测器13分别输出的电信号，并处理成数字信号输出至分析控制装置。

可选地，所述基于信号采集装置传输的信号，确定待治疗组织的光敏剂浓度，包括：

基于信号采集装置传输的信号计算待治疗组织光敏剂相对荧光强度，

基于计算得到的待治疗组织光敏剂相对荧光强度和预先设定的光敏剂相对荧光强度与光敏剂浓度关联而确定待治疗组织的光敏剂浓度。

可选地，所述光敏剂相对荧光强度是指光敏剂荧光特征波段内荧光强度积分值相对于自体荧光特征波段内荧光强度积分值的比值。

可选地，所述预先设定的光敏剂相对荧光强度与光敏剂浓度关联是基于

自体荧光强度不随光敏剂浓度的不同而改变，且所述光敏剂荧光特征波段内荧光强度积分值相对于自体荧光特征波段内荧光强度积分值的比值与光敏剂浓度呈线性函数相关而确立的。

可选地，所述光敏剂荧光特征波段内荧光强度积分值是通计算荧光Y强度在光敏剂荧光特征波内的积分值减去相同波段内自体荧光强度积分值得到的。

可选地，所述光敏剂相对荧光强度与光敏剂浓度关联是以标准曲线的形式提供的。

可选地，该光敏剂浓度检测系统还包括分析控制装置，所述分析控制装置还分别与：

转动部件中的电机15连接，以调节第一转动部件17与光纤5同轴旋转的转动参数；和

一维平移台18连接，以调节光纤5沿轴线方向滑动的移动参数。

可选地，所述第一转动部件17与光纤5同轴旋转的转动参数包括

转向、转速和时间。

可选地，所述光纤5沿轴线方向滑动的移动参数包括滑动方向、滑动速度、滑动时间。

可选地，所述分析控制装置同时控制转动部件和一维平移台18，使得光纤5可同时且分别独立地以轴线为轴心旋转和沿轴线方向移动。

可选地，所述分析控制装置基于预先设定的转动参数模型和移动参数模型控制转动部件和一维平移台18的运动。

根据本发明的实施例，本发明还提供一种光敏剂浓度检测方法，该方法采用前面所述的系统，包括：

使光源1提供射向光敏剂浓度检测装置的发射光，

用光敏剂浓度检测装置传导发射光照射待治疗组织，并传导和分离待治疗组织的荧光以供探测，

利用信号采集装置分别探测荧光X和荧光Y，并经信号转换后输出；

基于信号采集装置输出的信号，利用分析控制装置确定待治疗组织的光敏剂浓度。

可选地，所述待治疗组织包括光敏剂浓度检测装置可达的动物或人的内腔脏器。

可选地，基于光敏剂吸收光谱特征和荧光光谱特征，确定和调节光源发射光波长和强度。

可选地，基于光源发射光和自体荧光波谱特征，设定第一二向色镜2的截止波长。

可选地，基于光敏剂荧光和自体荧光波谱特征，设定第二二向色镜8的截止波长。

可选地，通过光敏剂浓度检测装置传导光源发射光照射待治疗组织，并传导和分离待治疗组织的荧光以供探测，包括：

通过第一二向色镜2反射来自光源的发射光至耦合器3；

通过耦合器3将反射来的光源发射光光束耦合进入光纤5；

利用光纤5将耦合器3耦合的光源发射光传导至探头端射出；

通过反射镜6反射从光纤5的探头端射出的光源发射光，用于照射预先摄入光敏剂的待治疗组织，使得待治疗组织中的光敏剂受激发发光。

通过反射镜6将受激发发出的光敏剂荧光与待治疗组织受激发发出的自体荧光一起反射进入探头端的光纤中；

光纤5通过探头端接收经反射镜6反射的信号光，并传导至耦合器端，通过耦合器3射出至第一二向色镜2；

第一二向色镜2选择性的透射从耦合器3射出的荧光至第二二向色镜8；

第二二向色镜8根据截止波长λ₂将探测到的荧光分离为荧光X和荧光Y。

可选地，用信号采集装置分别探测荧光X和荧光Y，并经信号转换后输出，包括：

利用光电探测器10接收荧光X并转换成电信号后输出；

利用光电探测器13接收荧光Y并转换成电信号后输出；

利用数据采集装置11采集经光电探测器10和光电探测器13分别输出的电信号，并处理成数字信号输出至分析控制装置；

其中，所述信号采集装置包括：光电探测器10和光电探测器13，均具有被荧光照射的光接受面并均与数据采集卡11连接，数据采集卡11进一步与分析控制装置连接。

可选地，基于信号采集装置输出的信号，利用分析控制装置确定待治疗组织的光敏剂浓度，具体包括：

基于信号采集装置输出的信号，计算相对荧光强度，

基于计算得到的相对荧光强度和预先设定的光相对荧光强度与光敏剂浓度关联，确定待治疗组织的光敏剂浓度。

可选地，所述光敏剂相对荧光强度是指荧光Y中光敏剂荧光的强度积分值相对与荧光X的强度积分值的比值。

可选地，所述预先设定的光敏剂相对荧光强度与光敏剂浓度关联是基于

自体荧光强度不随光敏剂浓度的不同而改变，且所述光敏剂荧光特征波段内荧光强度积分值相对于自体荧光特征波段内荧光强度积分值的比值与光敏剂浓度呈线性函数相关而确立的。

可选地，所述光敏剂荧光特征波段内荧光强度积分值是通计算Y荧光强度在光敏剂荧光特征波内的积分值减去相同波段内自体荧光强度积分值得到的。

可选地，上述相同波段内自体荧光强度积分值是通过与预先设定的自体荧光特征波段内荧光强度积分值关联而获得的。

可选地，所述光敏剂相对荧光强度与光敏剂浓度关联是以标准曲线的形式提供的。

可选地，该光敏剂浓度检测方法还包括：

在提供用于光敏剂浓度检测的光源发射光前，还包括：利用分析控制装置控制转动部件和一维平移台，使得光纤5通过同时的或交替的方式以轴线为轴心旋转和沿轴线方向移动，从而调节光敏剂浓度检测装置的探测位置。

具体的：分析控制装置通过控制电机15的转动，使得第二转动部件16与电机15上的转轴同轴旋转，从而带动第一转动部件17与光纤5同轴转动。

其中，所述转动部件包括第一转动部件17，第二转动部件16以及电机15；第一转动部件17套设在光纤5上并与第二转动部件16通过齿轮啮合，第二转动部件16与电机15的转轴固定连接

可选地，该光敏剂浓度检测方法还包括：利用分析控制装置分别控制光敏剂浓度检测装置的转动部件和一维平移台18的运动，实现了对待治疗组织不同位点光敏剂浓度的检测。

可选地，该分析控制装置分别同时地基于预先设定的转动参数模型控制转动部件的运动和基于预先设定的移动参数模型控制一维平移台18的运动，使得光敏剂浓度检测装置传导的发射光对待治疗组织区域实现移动扫描式照射。

可选地，所述转动部件的运动和一维平移台18的运动均为连续的。

可选地，该分析控制装置还基于获得的光敏剂浓度以及与转动参数模型和移动参数模型的对应关系，构建待治疗组织的光敏剂浓度分布二维图像。

本发明的有益效果

综上所述，本发明提供的光敏剂浓度检测装置、系统以及光敏剂浓度检测方法具有下列优点：

1.通过第二二向色镜8将自体荧光与光敏剂荧光分离,使得光信号可被直接捕获而无需额外配置光谱仪或干涉镜，且比使用干涉滤光片有更大的光通量，从而有更高的信噪比，灵敏度更高，装置结构简单，功能集成度高，成本低，信号处理和浓度分析更快速便捷，能很好地与基于荧光强度比的光敏剂浓度分析法匹配，光敏剂浓度能实时而精确地检测，适于光动力治疗中内窥镜下检测与治疗过程中的应用；

2、第一二向色镜2和第二二向色镜8根据截止波长的不同可更换，使得检测仪可以应用于不同类型不同场景的光敏剂浓度检测中，并大幅度提供了治疗的效率，节约了成本。

3.由于光敏剂浓度检测系统中使用光电探测器替代摄谱仪、CCD探测器等拍照工具，直接接收来自第二二向色镜8的荧光并转换模拟电信号，使得探测的荧光无需通过体积较大的光谱仪或干涉镜，结构简化，仪器体积大大缩小，制造成本大幅度降低。

4.首次将荧光强度比法应用于光动力治疗过程中光敏剂浓度的测定，结合本发明提供的光敏剂浓度检测装置或系统，实现了方法的可操作性，利用自体荧光信号不随光敏剂浓度改变而改变的特点，通过光敏剂荧光信号与自体荧光信号比值构建相对荧光强度，检测光敏剂浓度，降低了激发光的强度、光源离待测部位的距离以及探测端与待测物的夹角等因素的干扰，能够实现对光敏剂浓度更加实时、精确、稳定的测定，利于光动力精准治疗，提高治疗效果。

附图说明

图1是本发明光敏剂浓度检测装置在实施例1中的结构示意图；

图2为本发明光敏剂浓度检测装置在实施例2中的结构示意图；

图3是本发明光敏剂浓度检测系统在实施例3中一应用场景示意图；

图4为本发明实施例6中未加入HMME的空白对照荧光光谱；

图5为本发明实施例6中加入不同浓度HMME的模拟液D₁～D₁₀的荧光光谱；

图6为本发明实施例7中基于荧光强度比法测定光敏剂浓度的原理示意图；

图7为为本发明实施例7中基于荧光强度比法测定加入不同浓度HMME的模拟液所得OP值与浓度C的线性拟合曲线；

图8为本发明实施例8中基于相对荧光强度和绝对荧光强度测定受外界干扰时特定HMME浓度下的模拟液的浓度测量结果比较；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参照图1，图1所示为本发明提供的光敏剂浓度检测装置的具体实施例，包括第一二向色镜2和第二二向色镜8、光耦合器3、光纤5、反射镜6、第一二向色镜2和第二二向色镜8均为长通二向色镜，高反射低于截止波长的光而高透射高于截止波长的光，二者的截止波长分别为λ₁和λ₂，其中第一二向色镜2用于反射激光以及信号光中与激光波长相同的光束，透射采集到的待治疗组织的自体荧光和光敏剂发光，第二二向色镜8用于反射较短波长待治疗组织的自体荧光，透射光敏剂的发光。

当一定波长激光光束射向第一二向色镜2，被第一二向色镜2反射，经过光耦合器3耦合进入光纤5，出射的激光被反射镜6反射，照射待治疗组织。待治疗组织中的光敏剂被激发后，其发光将被反射镜6反射进入光纤5，待治疗组织的发光从光耦合器3出射，只有高于截止波长λ₁的光能够透射经过第一二向色镜2，透射光中低于截止波长λ₂的光则被第二二向色镜8反射,被第二二向色镜8反射和透射的光最终被采集用于光敏剂浓度检测中。

从图1中可以看出，反射镜6与探头端出射光束的轴线斜切，第一二向色镜2、第二二向色镜8与从耦合器3出射光束的轴线斜切，他们斜切的角度均在30～60度范围内，通常优选使用45度。

在一些实施例中，第二二向色镜8也可是是短波通二向色镜，第一二向色镜2和第二二向色镜8可以根据截止波长的不同需要，进行更换，以适用不同光敏剂和待治疗组织等条件下的浓度检测需要。

在一些实施例中，还包括包层4，所述光纤5、反射镜6设置在包层4内，包层4上靠近反射镜6的一端设置通光孔7’，被反射镜6反射的光纤从通光孔7’射出，照射待治疗组织。

在一些光敏剂浓度检测装置的实施例中，在反射镜6与被照射的待治疗组织之间，以及第二二向色镜8的反射光束和透射光束出射的一端，还可以分别设置聚焦透镜，用于将出射的光束聚焦后射出。

在一些实施例中，还设置可以调节装置探测位置的移动调节部件，例如转动部件和一维平移台。

本实施例提供的光敏剂浓度检测装置，通过第二二向色镜8将自体荧光与光敏剂荧光分离,使得光信号可被直接捕获而无需额外配置光谱仪或干涉镜，且比使用干涉滤光片的有更大光通量，从而有更高的信噪比，灵敏度更高，装置结构简单，功能集成度高，成本低，信号处理和浓度分析更快速便捷，能很好地与基于荧光强度比的光敏剂浓度分析法匹配，实时精确地检测出光敏剂浓度检测，适于光动力治疗在内窥镜中的应用；第一二向色镜2和第二二向色镜8根据截止波长的不同可更换，使得检测仪可以应用于不同类型不同场景的光敏剂浓度检测中，并大幅度提供了治疗的效率，节约了成本。

实施例2

参照图2，图2是对实施例1所示光敏剂浓度检测装置的结构改进的示意图，具体为，在实施例1提供的光敏剂浓度检测装置的基础上，还包括转动部件和一维平移台18，其中，转动部件包括第二转动部件16、与第二转动部件16通过齿轮啮合的第一转动部件17，第二转动部件16与电机15上的转轴固定连接，并与所述转轴同步旋转，从而带动第一转动部件17与光纤5同轴旋转；所述一维平移台18与光纤5滑动连接，用于控制光纤5沿轴线方向如图所示的上下移动；

其中，第二转动部件16和第一转动部件17上含有齿轮。

在一些实施例中，光纤5以轴线为轴心旋转和沿轴线方向上下移动分别独立进行，并且均可以是连续的运动。当沿轴线方向上下移动是连续移动时，所述一维平移台为电动的。

在一些实施例中，由于光纤5的外部被包层4包覆，第一转动部件17设置在包层4外。

本实施例中转动部件和一维平移台的存在可以有效调节光敏剂浓度检测装置的检测位置和角度，并且可以实现光敏剂浓度装置对待治疗组织区域由点即面地扫描照射和荧光检测。

实施例3

参照图3，图3位本发明实施例1所示光敏剂浓度检测装置涉及的一具体实施场景，即光敏剂浓度检测系统，包括激光光源1、光敏剂浓度检测装置、光电探测器10和光电探测器13、数据采集卡11、计算机14。

其中，光敏剂浓度检测装置如实施例1所述，并在反射镜6与被照射的待治疗组织之间，以及第二二向色镜8的反射光束和透射光束出射的不同方向端，分别设置了聚焦透镜7、聚焦透镜9、聚焦透镜12，此外还设置了移动调节部件，包括带电机的转轴15、齿轮16和齿轮17和一维平移台18，具体为在光纤5靠近耦合器端的包层4外设置第一转动部件17和与第一转动部件17啮合的第二转动部件16，第二转动部件16与带马达的转轴15固定连接，并与所述转轴同步旋转，从而带动第一转动部件17与被包层4固定包覆的光纤5同轴旋转，同时通过一维平移台18，使得光纤5沿垂直于第一转动部件17旋转的平面上下移动。

在本实施例的光敏剂浓度检测系统中，由激光光源1提供射向第一二向色镜2的光束，经历如实施例1所述的光敏剂浓度检测装置的荧光探测过程，主要包括：传导射来的光源发射光照射待治疗组织，并探测待治疗组织的荧光；此时，低于截止波长λ2的自体荧光被第二二向色镜8反射经聚焦透镜9聚焦后入射至光电探测器10的光接受面，光电探测器10的电信号输出端连接数据采集卡11的采集信号输入端；高于截止波长λ2的自体荧光和光敏剂荧光光束透射穿过第二二向色镜8后经聚焦透镜12聚焦后入射至光电探测器13的光接受面，光电探测器13的电信号输出端连接数据采集卡11的采集信号输入端。数据采集卡11的采集信号输出端连接计算机14的采集信号输入端，通过计算机的分析，实时地计算出光敏剂的浓度，计算机14还可以控制待转轴15的电机带动齿轮的转动，控制一维平移台上下移动，从而检测内腔不同部位的光敏剂浓度。

进一步的，在光敏剂荧光探测过程中，通过分析控制装置，分别同时地：基于预先设定的转动参数模型控制转动部件，使得光纤5可以可控地以轴线为轴心旋转；和基于预先设定的移动参数模型控制一维平移台18，使得光纤5可以可控地沿轴线方向上下移动；从而使信号采集装置按照预设方式采集不同探测位置的荧光并处理成连续变化的信号传输给分析控制装置；分析控制装置不仅可以基于信号采集装置传输的连续变化的信号而确定的光敏剂浓度变化，而且可以依据光敏剂浓度变化与转动参数模型、移动参数模型的对应关系，通过在二维的位置平面上标记对应位置的光敏剂浓度，获得待治疗组织的光敏剂浓度分布二维图像。

更进一步地，转动部件的运动和一维平移台18的运动均可以是连续的，

本实施例提供的光敏剂浓度检测系统，由于采用实施例1的光敏剂浓度检测装置，通过第二二向色镜8将自体荧光与光敏剂荧光分离,使得光信号可被直接捕获而无需额外配置光谱仪或干涉镜，且比使用干涉滤光片的有更大光通量，从而有更高的信噪比，灵敏度更高，装置结构简单，功能集成度高，成本低，信号处理和浓度分析更快速便捷，能很好地与基于荧光强度比的光敏剂浓度分析法匹配，光敏剂浓度检测更加精确，适于光动力治疗中内腔镜检的应用；第一二向色镜2和第二二向色镜8根据截止波长的不同可更换，使得检测仪可以应用于不同类型不同场景的光敏剂浓度检测中，并大幅度提供了治疗的效率，节约了成本。

且由于光敏剂浓度检测系统中使用光电探测器替代摄谱仪、CCD探测器等拍照工具，直接接收来自第二二向色镜8的荧光并转换模拟电信号，使得探测的荧光无需通过体积较大的光谱仪或干涉镜，结构简化，仪器体积大大缩小，制造成本大幅度降低。

通过采用转动部件和一维平移台，并且可以通过分析控制装置按设定的方式使光纤转动和移动，从而使得光敏剂浓度检测装置传导的发射光对待治疗组织区域实现移动扫描式照射，从而可以获取待治疗组织的光敏剂浓度分布二维图像，能够实现更加精准的光动力治疗。

实施例4(基础溶液配置)

分别取去离子水200mL，20％的脂肪乳10mL以及印度墨水2μL混合均匀，配置得到组织模拟液原液A。

取光敏剂血啉甲醚HMME 0.01mM溶解于浓度为0.1M的NaOH溶液2mL中，再滴加浓度为0.1M的盐酸溶液2mL使整体溶液呈中性，然后加入0.9％的氯化钠溶液标定至5mL，配制得到浓度为2mM的HMME原溶液B。

实施例5(不同浓度HMME组织模拟液的配置)

使用生理盐水稀释HMME原溶液B，分别依次配置浓度为0.4μM、0.8μM、1.2μM、1.6μM、2.0μM、2.4μM、2.8μM、3.2μM、3.6μM、4.0μM的HMME溶液B₁～B₁₀；

将稀释完的不同浓度的HMME溶液B₁～B₁₀与组织模拟原液A按照体积比1:1混合，按照浓度梯度为0.2μM，分别依次配置得到浓度0.2μM、0.4μM、0.6μM、0.8μM、1.0μM、1.2μM、1.4μM、1.6μM、1.8μM、2.0μM的HMME组织模拟液D₁～D₁₀，作为标准液。

使用移液枪将配置得到的不同浓度的标准液滴入96孔板中，每个孔滴入400μL溶液；

并取200μL组织模拟原液A与200μL水混合稀释滴入96孔板中得到组织模拟也，作为空白对照。

实施例6(不同浓度HMME组织模拟液荧光光谱测定和荧光强度比法测定原理)

将发射激光波长设定为405nm。应用光谱仪对实施例4所配置得到的空白对照以及D₁～D₁₀的标准液分别测定其荧光光谱，空白对照的荧光光谱参见图4所示，为组织模拟液的自体荧光，主要荧光峰在500nm波长左右，但是它的发光波长范围较宽，从450nm到700nm都有荧光发射。

标准液D₁～D₁₀的荧光光谱参见图5所示，其中，荧光光谱线从下往上，依次对应0.2μM、0.4μM、0.6μM、0.8μM、1.0μM、1.2μM、1.4μM、1.6μM、1.8μM、2.0μM的HMME组织模拟液的荧光光谱，从图5中可以看出，不同浓度的HMME组织模拟液，只有位于621nm和684nm的两个荧光峰强度随标准液中光敏剂浓度依次递增，但是在475～575nm之间的包峰的荧光强度值不随光敏剂浓度改变而改变，由图4所示空白对照荧光光谱图可知，这个包峰即为测得的不同浓度标准液中组织模拟液的自体荧光，自体荧光强度是由组织模拟液自身性质决定，与HMME的浓度无关。

实施例7(光敏剂浓度检测)

原理：光敏剂浓度检测系统测定中，从光耦合器3出射的光束包含反射的激光、待治疗组织自体荧光以及光敏剂的发光，利用第一二向色镜2和第二二向色镜8将不同波长光束分开，如图4所示，由于待治疗组织的自体荧光具有较大的波长范围，因此探测器10收集的是较短波长(小于λ₂)的自体荧光，即图6中的I₁所示475nm到525nm的积分荧光强度值，探测器13收集的是长波长处(大于λ₂)的自体荧光和光敏剂的发光，即图6中的I₂所示575nm到750nm的积分荧光强度值。

根据测得的积分荧光强度值I₁和I₂代入关联式1-1求得不同光敏剂浓度下的相对荧光强度OP。

分别测定不同光敏剂浓度下的标准液的相对荧光强度OP值，利用OP值与浓度建立坐标图，得到线性关联曲线，记为C＝k·OP+b，(1-2)。

利用该曲线关系，对于未知光敏剂浓度的待测液，使用光敏剂浓度检测系统测定其光敏剂的相对荧光强度，即可依据关联曲线或其函数获得光敏剂的浓度值。

操作：

1、利用荧光强度比法建立荧光强度与浓度的标准关联曲线

由于400nm左右波长的光源对HMME光敏剂有着很好的激发作用，因此实验中选择使用半导体激光器激发波长为405nm的激光对HMME进行激发。

应用实施例3所提供的光敏剂浓度检测系统测定实施例5所配置得到的的空白对照液，分别得到组织模拟液自体荧光在475～525nm以及575～750nm波段下的积分荧光强度值I₁ ⁰和I₂ ⁰，他们的比值是一个恒定的比例系数，记为β＝I₂ ⁰/I₁ ⁰，计算得β值为0.84。

应用上述与测定空白对照液相同的方法测定不同HMME浓度标准液D₁～D₁₀，再分别将各个标准液测得的I₁和I₂代入关联式1-1，得到不同HMME浓度下的相对荧光强度值OP¹、OP²、OP⁶、……、OP¹⁰。利用OP¹～OP¹⁰值与D₁～D₁₀的浓度建立坐标图，拟合得到关联曲线，如图7所示，为一线性函数，记为C＝k·OP+b，(1-2)，其中k和b为已知。

其中，

在实际应用中，在体外或内腔检测中，式(1-1)中OP为定义的一个光学参量，其表达式为式(1-2)，光敏剂浓度C和OP值成线性关系，k为比例系数，b为常数，对于不同的待治疗的组织部位待定系数k和b的值是不变的，需在进行未知浓度测量前进行标定，标定方法为对于不同已知光敏剂浓度的组织部位进行检测，得到不同OP值，求出浓度C和OP值的关系，得到待定系数k和b的值。式(1-2)中I₁为光电探测器10光接受面接受的光信号光强，I₂为光电探测器13光接受面接受的光信号光强，β为待治疗组织未加光敏剂前其长波长处(大于λ₂)与短波长处(小于λ₂)自体荧光强度的比值。

2.应用实施例3所提供的光敏剂浓度检测系统测定未知光敏剂浓度的待测液，分别得到在475～525nm以及575～750nm波段下的待测液积分荧光强度值I₁和I₂，使用上述建立标准曲线相同的方法计算得到光敏剂相对荧光强度OP值，并代入上述构建得到的关联曲线或线性函数中，从而计算得到未知光敏剂浓度的待测液中光敏剂HMME的浓度。

本发明提供的光敏剂浓度检测方法，首次将荧光强度比法应用于光动力治疗过程中光敏剂浓度的测定，结合本发明提供的光敏剂浓度检测装置或系统，实现了方法的可操作性，利用自体荧光信号不随光敏剂浓度改变而改变的特点，通过光敏剂荧光信号与自体荧光信号比值构建相对荧光强度，检测光敏剂浓度，降低了激发光的强度、光源离待测部位的距离以及探测端与待测物的夹角等因素的干扰，能够实现对光敏剂浓度更加精确、稳定的测定，利于光动力精准治疗，提高治疗效果

实施例8(荧光强度比法的可靠性验证)

测量待治疗组织的光敏剂发光时，其荧光光谱会受到诸多因素的影响，如激发光的强度、光源离待测溶液的距离以及探测端与待测物的夹角等，于是我们使用标准液D₂，分别略微改动测定时这三种因素，每个影响因素改动五次共测量了十五组数据。然后将测量得到十五组发光光谱的最大荧光强度值与使用荧光强度比法算得的OP进行了比较。如图8所示，实心的点分别表示每组略微改变影响因素后所测标准组织模拟液的最大荧光强度值，空心的点表示每组略微改变影响因素后使用荧光强度比法处理后得到的OP值。从图8上我们可以很明显的看出，虽然是对加入同一标准浓度光敏剂的模拟液进行测量，但是它们的发光强度却波动很大，因此如果处理数据时对绝对荧光强度与浓度的关系进行定标是不够准确的，易受外界因素干扰。而若使用上述的荧光强度比法对数据进行处理，能够发现这十五组数据对应的OP值的波动非常小，也就是说能很大程度地消除外界干扰的影响，这也证明了使用荧光强度比法处理数据是能够较为准确地对浓度进行检测的。

综上所述，本发明提供的光敏剂浓度检测装置、系统和方法具有下列优点：

1.通过第二二向色镜8将自体荧光与光敏剂荧光分离,使得光信号可被直接捕获而无需额外配置光谱仪或干涉镜，且比使用干涉滤光片的有更大光通量，从而有更高的信噪比，灵敏度更高，装置结构简单，功能集成度高，成本低，信号处理和浓度分析更快速便捷，能很好地与基于荧光强度比的光敏剂浓度分析法匹配，光敏剂浓度检测更加实时、精确，适于内窥镜下光动力治疗中的应用；

2、第一二向色镜2和第二二向色镜8根据截止波长的不同可更换，使得检测仪可以应用于不同类型不同场景的光敏剂浓度检测中，并大幅度提供了治疗的效率，节约了成本。

3.由于光敏剂浓度检测系统中使用光电探测器替代摄谱仪、CCD探测器等拍照工具，直接接收来自第二二向色镜8的荧光并转换模拟电信号，使得探测的荧光无需通过体积较大的光谱仪或干涉镜，结构简化，仪器体积大大缩小，制造成本大幅度降低。

4.首次将荧光强度比法应用于光动力治疗过程中光敏剂浓度的测定，结合本发明提供的光敏剂浓度检测装置或系统，实现了方法的可操作性，利用自体荧光信号不随光敏剂浓度改变而改变的特点，通过光敏剂荧光信号与自体荧光信号比值构建相对荧光强度，检测光敏剂浓度，降低了激发光的强度、光源离待测部位的距离以及探测端与待测物的夹角等因素的干扰，能够实现对光敏剂浓度更加精确、稳定的测定，利于光动力精准治疗，提高治疗效果。

5.通过采用转动部件和一维平移台，并且可以通过分析控制装置按设定的方式使光纤连续的转动和移动，可以获取待治疗组织的光敏剂浓度分布图像，能更加直观的获得检测结果，并且便于实现更加精准的光动力治疗。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种光敏剂浓度检测装置，其特征在于，包括：

光纤(5)、反射镜(6)、耦合器(3)、第一二向色镜(2)和第二二向色镜(8)；

其中，光纤(5)的一端设置有反射镜(6)，另一端与耦合器(3)连接，

耦合器(3)、第一二向色镜(2)和第二二向色镜(8)依次处于同一直线上，第一二向色镜(2)和第二二向色镜(8)分别与耦合器端出射的光束斜切；反射镜(6)与光纤(5)的一端射出的光束斜切；

外界光源提供的发射光经第一二向色镜(2)反射后，依次经过耦合器(3)、光纤(5)，再被反射镜(6)反射照射预先摄入光敏剂的待治疗组织，

待治疗组织接收光照后发出的荧光经反射镜(6)反射，并依次经过光纤(5)、耦合器(3)和第一二向色镜(2)，射向第二二向色镜(8)，分离为小于λ₂的自体荧光，记为荧光X，和光敏剂荧光与大于λ₂的自体荧光的混合光，记为荧光Y；

其中，第一二向色镜(2)的截止波长为λ₁，大于光源波长并小于自体荧光波长，第二二向色镜(8)的截止波长为λ₂，大于λ₁，并小于光敏剂荧光波长。

2.根据权利要求1所述的光敏剂浓度检测装置，其特征在于，

在第二二向色镜(8)的反射光方向设置聚焦透镜(9)，用以聚焦经第二二向色镜(8)反射的荧光；

在第二二向色镜(8)的透射光方向设置聚焦透镜(12)，用以聚焦经第二二向色镜(8)透射的荧光。

3.根据权利要求1所述的光敏剂浓度检测装置，其特征在于，

第一二向色镜(2)、第二二向色镜(8)与从耦合器(3)出射光束的轴线斜切的角度分别独立地为30～60度。

4.根据权利要求1所述的光敏剂浓度检测装置，其特征在于，

第一二向色镜(2)和第二二向色镜(8)为活动设置，便于具有不同截止波长的第一二向色镜(2)或第二二向色镜(8)的替换。

5.根据权利要求1所述光敏剂浓度检测装置，其特征在于，光敏剂浓度检测装置还包括转动部件和一维平移台(18)，

所述转动部件包括第一转动部件(17)，第二转动部件(16)以及电机(15)；第一转动部件(17)套设在光纤(5)上并与第二转动部件(16)通过齿轮啮合，第二转动部件(16)与电机(15)的转轴固定连接并与所述转轴同轴旋转，从而带动第一转动部件(17)与光纤(5)同轴旋转；

所述一维平移台(18)与光纤(5)滑动连接，滑动方向与光纤(5)轴线平行。

6.一种光敏剂浓度检测系统，其特征在于，包括光源(1)、光敏剂浓度检测装置、信号采集装置和分析控制装置(14)；

所述光源(1)用于提供射向光敏剂浓度检测装置的发射光；

所述光敏剂浓度检测装置如权利要求1～5任一项所述，用于传导发射光以照射待治疗组织，并传导和分离待治疗组织的荧光以供探测；

所述信号采集装置用于分别探测荧光X和荧光Y，并经信号转换传后输出，

所述分析控制装置与信号采集装置连接，用于基于信号采集装置输出的的信号，确定待治疗组织的光敏剂浓度。

7.根据权利要求6所述的光敏剂浓度检测系统，其特征在于，所述信号采集装置包括：光电探测器(10)、光电探测器(13)以及数据采集卡(11)；

光电探测器(10)的一端为接收荧光X的光接受面，另一端与数据采集卡(11)连接，用于接收的荧光X并转换成电信号后输出；

光电探测器(13)的一端为接收荧光Y的光接受面，另一端与数据采集卡(11)连接，用于接收的荧光Y并转换成电信号后输出；

数据采集卡(11)进一步与分析控制装置连接，用于采集经光电探测器(10)和光电探测器(13)分别输出的电信号，并处理成数字信号输出至分析控制装置。

8.根据权利要求6所述光敏剂浓度检测系统，其特征在于，所述分析控制装置还分别：

与转动部件中的电机(15)连接，以调节第一转动部件(17)与光纤(5)同轴旋转的转动参数；和

与一维平移台(18)连接，以调节光纤(5)沿轴线方向滑动的移动参数。

9.一种光敏剂浓度检测方法，其特征在于，所述光敏剂浓度检测方法采用权利要求6至8任一项所述的系统，所述光敏剂浓度检测方法包括：

使光源(1)提供射向光敏剂浓度检测装置的发射光，

用光敏剂浓度检测装置传导发射光照射待治疗组织，并传导和分离待治疗组织的荧光以供探测，

利用信号采集装置分别探测荧光X和荧光Y，并经信号转换后输出；

基于信号采集装置输出的信号，利用分析控制装置确定待治疗组织的光敏剂浓度。

10.根据权利要求9所述的光敏剂浓度检测方法，其特征在于，基于信号采集装置输出的信号，利用分析控制装置确定待治疗组织的光敏剂浓度，具体包括：

基于信号采集装置输出的信号，计算相对荧光强度，

基于计算得到的相对荧光强度和预先设定的光相对荧光强度与光敏剂浓度关联，确定待治疗组织的光敏剂浓度，

其中，所述光敏剂相对荧光强度是指荧光Y中光敏剂荧光的强度积分值相对与荧光X的强度积分值的比值。

11.根据权利要求10所述的光敏剂浓度检测方法，其特征在于，

所述光敏剂浓度检测方法还包括：利用分析控制装置分别控制光敏剂浓度检测装置的转动部件和一维平移台(18)的运动。

12.根据权利要求11所述的光敏剂浓度检测方法，其特征在于，

所述分析控制装置分别基于预先设定的转动参数模型控制转动部件的运动和基于预先设定的移动参数模型控制一维平移台(18)的运动，并且，所述转动部件的运动和一维平移台的运动同时进行，使得光敏剂浓度检测装置传导的发射光对待治疗组织区域实现移动扫描式照射；

并且，所述分析控制装置基于获得的光敏剂浓度以及与转动参数模型和移动参数模型的对应关系，构建待治疗组织的光敏剂浓度分布二维图像。

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