CN111552026A - 一种用于人体介入可视化光动力治疗的光纤及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种用于人体介入可视化光动力治疗的光纤及系统，光纤的特征是：它包括安德森局域光波导通道、包层、围绕安德森局域光波导通道环形分布的纤芯波导通道和微孔通道四个组成部分。还提供了一种利用该光纤的可视化光动力治疗系统。本发明可用于介入人体的光动力治疗，并提供体内照明成像、药物定点、定量投放的功能。可实现体内微腔、动脉血管等病变器官和组织的介入诊断与治疗。

Description

一种用于人体介入可视化光动力治疗的光纤及系统
(一)技术领域
本发明涉及的是一种用于人体介入可视化光动力治疗的光纤及系统，该光纤及系统具有照明光传输通道、图像传输通道以及药物传输通道，尤其适用于动脉血管等细小组织器官内部病变的成像诊断与光动力治疗，属于医疗器械技术领域。
(二)背景技术
光动力疗法(photo dynamic therapy,PDT)目前已被认可作为多种疾病的一个组织特异性光激活细胞毒性治疗手段。它主要有三部分联合起来发挥作用:即光敏(光敏感的)药物、光和组织氧。典型的光敏药物(光敏感剂)是卟啉类或类似结构的化学物质。这些药物(光敏剂)通常是以局部或通过静脉注射的方法给予,能够在治疗的靶组织中被选择性地吸收和留滞是其一个重要的特点。当含有光敏剂的靶组织暴露于适当波长的光波时，光与光敏剂发生反应，就促成了对组织的破坏。这种选择性地吸收和留滞造成了选择性的破坏,正是这种破坏起到了治疗疾病的作用。而周围的正常组织中不含药物或含有很少，吸收很少光线，因而不会造成明显的损伤。
光动力疗法对于像动脉血管、鼻腔这类的腔体或器官内部疾病疗效也是显著的。但是由于这些疾病病区往往深入人体内部，使用光动力疗法来对这类的疾病进行治疗目前遇到几个主要的问题：(1)需要柔软的纤细的介质深入人体的内部以实现微创的光动力疗法治疗，通常选用光纤作为介质；(2)需要介入人体的成像装置，一方面实现病区的准确寻找于诊断，另一方面能实时监测判断光动力疗法的治疗效果。而对于成像装置来说，照明光源通道和图像的稳定传输通道是必须的；(3)通常会局部注射传递光敏药物，在治疗的过程中，视治疗效果，对光敏药物或氧气进行定量补充。
对于传统的显微成像技术来说，深入活体器官或者组织内部获取图像信息极其困难。虽然人们已经利用光纤成像系统易于小型化和可任意弯折的特性初步解决了此类成像技术难题，但是传统的光纤成像系统仍然面临诸多瓶颈。这些问题主要集中在以下几点：1.对宽带光源的兼容性差；2.成像单元体积巨大、结构复杂；3.成像质量低、成像速度慢；4.鲁棒性差。
安德森局域光纤是指光纤横向无序折射率结构能够对光波产生强的横向散射，导致光波被横向局域约束，并沿在纵向自由传播。因此，这些光纤表现出大芯径光纤的多模传输特性，并且绝大多数模式具有高度局域化的特点。这一特性使它们成为图像传输应用的理想选择。文献报道，Jian Zhao等人采用玻璃——空气孔结构的安德森局域光纤构建了一套柔性的，无透镜的成像系统(Zhao J,Sun Y,Zhu Z,et al.Deep Learning Imagingthrough Fully-Flexible Glass-Air Disordered Fiber[J].ACS Photonics,2018.)。该系统利用了安德森局域光纤对光波的横向限制特性，并结合深度学习算法，实现了离光纤端几个毫米远的物体的高质量成像，展示了安德森局域光纤在柔性光纤内窥镜上的巨大应用前景。
本发明提出的一种用于人体介入可视化光动力治疗的光纤工具，使用的具有环形波导通道和微孔通道的安德森局域光纤。一方面，结合了安德森光纤的图像传输特性，并解决了照明光源和治疗光源的传输问题，实现了病变区域图像的实时获取以方便精确定位进行光动力疗法治疗的目的。另一方面，该光纤的微孔通道可用于将药物定时、定量传输到准确的病变区域，以实现精确的治疗。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤，并提供了一种基于该光纤的用于体内介入光动力治疗的系统。
本发明的目的是这样实现的：
安德森局域光纤是指光纤横向无序折射率结构能够对光波产生强的横向散射，导致光波被横向局域约束，并沿着纵向自由传播。因此，这些光纤表现出大芯径光纤的多模传输特性，并且绝大多数模式具有高度局域化的特点。这一特性使它们成为图像传输应用的理想选择。本发明提出的一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤，它包括安德森局域光波导通道、包层、围绕安德森局域光波导通道环形分布的纤芯波导通道和微孔通道四个组成部分。
所述光纤的结构可有几种变化形式。可选地，如图1所示，围绕安德森局域光波导通道环形分布的纤芯波导通道是环形芯，在环形芯的外围有多个微孔通道。
可选地，如图2所示，所述的环形分布的纤芯波导通道是破缺环形的纤芯，环形破缺的位置有微孔通道。
可选地，如图3所示，所述的环形分布的纤芯波导通道是多个圆周分布的圆形纤芯，纤芯间隔中分布有微孔通道。
可选地，所述的光纤的材料为石英玻璃的，环形分布的纤芯波导通道是锗掺杂的石英波导，安德森局域光波导通道是石英和空气孔随机分布组成的具有安德森局域效应的波导。优选地，组成安德森局域光波导通道随机分布的空气孔的总面积占整个通道的面积比例为25％～50％，空气孔的直径在0.1λ～10λ随机分布，λ为传输光波长。
可选地，所述的光纤是透明有机材料的。优选地，环形分布的纤芯波导通道为PS(聚苯乙烯)，包层材料为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，安德森局域光波导通道是PS和PMMA随机分布组成的具有安德森局域效应的波导。同样的，所述的有机材料的安德森局域光波导通道也可以稳定传输光纤横向限制安德森局域模式，可用于图像传输。
一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤系统，它由上述的多功能光纤、照明光源、手术光源、光纤波分复用器、光纤侧抛耦合器、药物注入系统、相机系统组成。所述系统中：(1)照明光源和手术光源的光波经过光纤波分复用器和光纤侧抛耦合器后输入多功能光纤的环形分布的纤芯波导内传输；(2)环形分布的纤芯波导内传输的照明光束提供体内照明，具有环形波导的安德森局域光纤的安德森局域光波导通道将体内内图像收集并传输至相机系统探测，寻找病变区域；(3)环形分布的纤芯波导内传输的手术光束照射在含有光敏药物的病变区域，以去除病变区域；(4)药物注入系统将流体药物通过光纤的微孔通道传输至病变区域。
可选地，所述的多功能光纤的通过飞秒激光加工工艺，在其包层上刻蚀微流入口，使光纤微孔通道和外界连通，用于药物注入系统向多功能光纤的微孔通道内注入药物。
可选地，所述的光纤侧抛耦合器是将单模光纤和具有环形波导的安德森局域光纤分别侧抛后，贴合侧抛面，让单模光纤和具有环形波导的安德森局域光纤的环形芯光路耦合。
可选地，所述多功能光纤的探针端粘有微透镜，一方面能聚焦环形分布的纤芯内的光波，提高照明光束和手术光束的能量密度，另一方面增大中间安德森局域光波导通道的数值孔径，便于图像收集和传输。
可选地，所述的照明光源是非相干宽带光源，安德森局域光波导通道传输体内包含组织图像信息的散射光。
可选地，所述的照明光源是病变组织处荧光激发光源，安德森局域光波导通道传输荧光图像，相机系统装有激发光滤光片。
可选地，所述的手术光源是病变组织处，能与光敏剂发生作用的波段的光源。
所述的相机系统在探测到安德森局域光波导传回的包含图像信息的散射光后，通过深度学习算法对散射光信号进行解调，构建图像。
本发明具备以下的显著的优点：
(1)使用安德森具有光波导传输图像，使光纤在机械弯折扰动以及温度剧烈变化下仍然可以保持高速、高质量的图像传输。
(2)将照明光源、光动力治疗手术光源、图像传输通道集成到同一根光纤内部，很大程度上简化了器件的结构，使得器件更适合于类似于血管这种细径的组织器官的微创介入治疗。
(3)能深入活体器官或者组织内部获取图像信息，通过图像信息来实现病变区域的准确诊断，并实时监控治疗效果。
(4)独特的光纤微孔通道能够随时传输并释放药物到病变区域，实现精确的定点、定量的药物释放，使药物的副作用最小化。
(四)附图说明
图1是一种多功能光纤1的结构，围绕安德森局域光波导通道1-3环形分布的纤芯波导通道是环形芯1-2，在环形芯的外围有多个微孔通道1-1。
图2是一种多功能光纤2的结构，围绕安德森局域光波导通道2-3环形分布的纤芯波导通道是破缺环形的纤芯2-2，环形破缺的位置有微孔通道2-1，其中图2(a)、(b)分别表示含有一个和两个微孔通道的多功能光纤结构。
图3是一种多功能光纤3的结构，围绕安德森局域光波导通道3-3环形分布的纤芯波导通道是多个圆周分布的圆形纤芯3-2，纤芯间隔中分布有微孔通道3-1。
图4是所述的多功能光纤的环形光波导通道的侧抛耦合方法。其中标号分别表示：单模光纤4，输入光5，多功能光纤2，图像信息6。
图5是多功能光纤通过飞秒激光加工制备微孔的结构图，其中(a)为加工处的光纤横截面图，(b)为三维的结构图。其中新出现的标号分别表示：微流入口7，含有药物的流体8。
图6是用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤系统图。其中新出现的标号分别表示：照明光源9，手术光源10，光纤波分复用器11，成像系统12，光纤侧抛耦合器13，药物注入系统14。
图7是多功能光纤的功能示意图，其中新出现的标号分别表示：照明光束15，病变组织16，药物17，图像18。
图8是实施例2中描述的光纤结构图，在多功能光纤的端面粘合一个微透镜19，飞秒激光制备两个微孔，用于微流通道的入口7-1和出口7-2。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：
为了简化了器件的结构，使得器件更适合于类似于血管这种细径的组织器官的微创介入治疗，本发明将照明光源、光动力治疗手术光源、图像传输通道和药物传输通道集成到同一根光纤内部，在方便地对体内的病区进行精准治疗的同时，实现实时的可视化监测。
本发明提出的多功能光纤可有多种结构形式，总体上其具备三个要素：(1)环形分布的纤芯波导，用于照明光和手术光；(2)安德森局域光波导通道，用于传输体内的图像；(3)微孔通道，用于传输药物至体内病变区域。图1～图3是几种不同结构的多功能光纤，为了对本发明进行具体的说明，本实施例采用图2(a)中所示的光纤结构。
本发明采用如图4所示的侧抛耦合的方法制备耦合器。该方法是将单模光纤4和多功能光纤2分别侧面抛磨，然后将抛磨面贴合，让单模光纤3纤芯和破缺的环形芯靠近，将输入光5(包含照明光束和手术光束)耦合进破缺的环形纤芯中。同时不破坏光纤2中间的安德森局域光波导通道，以稳定传输图像信息6。
如图5(a)所示，在多功能光纤的表面使用飞秒激光加工出微流入口7，让光纤的微孔通道与外界连通。如图5(b)，含有药物的流体8通过的微流入口7，进入光纤的微孔通道2-1，传输至体内的病变区域。
如图6所示的是用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤系统图。该系统的诊断治疗分为几个步骤：
(1)光纤探针插入体内，到达病变器官或腔体。药物注入系统14和飞秒加工的微流入口连通，注入荧光标记药物和用于光动力治疗的光敏剂药物，通过多功能光纤的微孔通道传输至病变器官。
(2)待病变区的细胞吸收荧光标记药物后，打开荧光激发照明光源9，荧光照明光束15通过光纤波分复用器11和侧抛耦合器13耦合进破缺环形波导传输，照射在病变组织16(如图7所示)。只有病变区域16会发射荧光，荧光信号经过多功能光纤的安德森局域光波导通道，传输回成像系统12，便可获得确切的病变区域图像18。
(3)打开手术光源10，手术光束通过光纤波分复用器11和侧抛耦合器13耦合进破缺环形波导传输，照射在病变器区域，让光敏剂生效，实现病变区域的去除。
(4)在进行光动力手术治疗的同时，可通过传输回来的图像对治疗效果进行实时监控，确保病变组织清除干净，确保治疗效果。
实施例2：
本实施例和实施例1的区别在于：
(1)使用的照明光源采用非相干的宽带光源。本实施例无需荧光标记，安德森局域光波导通道传输体内组织散射光图像，而非荧光图像。
(2)在多功能光纤探针的端面有一个微透镜19(如图8)，一方面能聚焦环形分布的纤芯内的光波，提高照明光束和手术光束的能量密度，另一方面增大中间安德森局域光波导通道的数值孔径，便于图像收集和传输。
(3)由于微透镜会挡住多功能光纤的微孔通道，所以需要使用飞秒激光在光纤端附近制备一个微流出口7-2，用于药物17流出。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤，其特征是：它包括安德森局域光波导通道、包层、围绕安德森局域光波导通道环形分布的纤芯波导通道和微孔通道四个组成部分。
2.根据权利要求1所述的一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤，其特征是：所述的环形分布的纤芯波导通道可以是环形的纤芯，可以是破缺环形的纤芯，也可以是圆周分布的多个圆形纤芯。
3.根据权利要求1所述的一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤，其特征是：所述光纤的材料为石英玻璃，环形分布的纤芯波导通道是锗掺杂的石英波导，安德森局域光波导通道是石英和空气孔随机分布组成的具有安德森局域效应的波导。
4.根据权利要求1所述的一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤，其特征是：所述光纤的材料为透明的有机材料，环形分布的纤芯波导通道为聚苯乙烯，包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯，安德森局域光波导通道是聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯随机分布组成的具有安德森局域效应的波导。
5.一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤系统，其特征是：它由权利要求1～4任一项要求的多功能光纤、照明光源、手术光源、光纤波分复用器、光纤侧抛耦合器、药物注入系统、相机系统组成。所述系统中：(1)照明光源和手术光源的光波经过光纤波分复用器和光纤侧抛耦合器后输入多功能光纤的环形分布的纤芯波导内传输；(2)环形分布的纤芯波导内传输的照明光束提供体内照明，具有环形波导的安德森局域光纤的安德森局域光波导通道将体内图像信号光收集并传输至相机系统探测，寻找病变区域；(3)环形分布的纤芯波导内传输的手术光束照射在含有光敏药物的病变区域，以去除病变区域；(4)药物注入系统将流体药物通过光纤的微孔通道传输至病变区域。
6.根据权利要求5所述的一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤系统，其特征是：所述的多功能光纤的通过飞秒激光加工工艺，在其包层上刻蚀微流入口，用于药物注入系统向多功能光纤的微孔通道内注入药物。
7.根据权利要求5所述的一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤系统，其特征是：所述的光纤侧抛耦合器是将单模光纤和具有环形波导的安德森局域光纤分别侧抛后，贴合侧抛面，让单模光纤和具有环形波导的安德森局域光纤的环形芯光路耦合。
8.根据权利要求5所述的一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤系统，其特征是：所述的照明光源是非相干宽带光源，安德森局域光波导通道传输体内包含组织图像信息的散射光。
9.根据权利要求5所述的一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤系统，其特征是：所述的照明光源是病变组织处荧光激发光源，安德森局域光波导通道传输荧光图像，相机系统装有激发光滤光片。
10.根据权利要求5所述的一种用于人体介入可视化光动力治疗的多功能光纤系统，其特征是：所述的相机系统在探测到安德森局域光波导传回的图像信息后，通过深度学习算法对图像进行解调。
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