CN112842519A - 一种用于引导激光治疗的光声探测装置 - Google Patents

一种用于引导激光治疗的光声探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于引导激光治疗的光声探测装置，其特征在于，包括：激光器，用于辐照被辐照物；超声换能器，超声换能器通过位于被辐照物与其之间的传输介质采集被辐照物产生的激发光声信号；信号采集设备，用于采集超声换能器输出的激发光声信号并做平均处理；控制单元，用于对信号采集设备采集到的激发光声信号进行分析，判断激光治疗的效果和阶段。

Description

一种用于引导激光治疗的光声探测装置
技术领域
本发明涉及一种在激光治疗过程中，用于对激光治疗效果进行监控并及时反馈的装置。
背景技术
由于环境、生活压力等因素，皮肤相关病变与疾病引起了人们越来越多的关注与重视。这类病变和疾病目前可以通过激光疗法等方式进行治疗和消除。市场上的激光治疗方式主要可以分为烧蚀和非烧蚀两大类。其基本原理是选择性光热分离理论，使目标色团吸收激光设备发出的光子，吸收光子的光能转化为热量，造成的热损伤仅限于选定的组织。色素碎片通过新陈代谢从身体中去除。这里可发现选择性光热解的激光透射与光声效应的光发射部分相同。同时，目前的激光治疗在整个治疗过程中缺乏监控或反馈系统，治疗效果主要取决于治疗师的经验，容易引起过度治疗，而过度治疗造成的不可逆的皮肤损伤可能是不可修复的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前的激光治疗在整个治疗过程中缺乏监控或反馈系统。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种用于引导激光治疗的光声探测装置，其特征在于，包括：
激光器，用于辐照被辐照物；
超声换能器，超声换能器通过位于被辐照物与其之间的传输介质采集被辐照物产生的激发光声信号；
信号采集设备，用于采集超声换能器输出的激发光声信号并做平均处理；
控制单元，用于对信号采集设备采集到的激发光声信号进行分析，判断激光治疗的效果和阶段，其中，对信号采集设备采集到的激发光声信号进行分析包括以下步骤：
在时域的信号处理方面找到并提取光声信号中随时间变化最大的峰值信号，对该峰值信号进行峰值或峰峰值的提取；
同时，获得光声信号的频谱后，再提取相关频域的特征量；
若提取到的峰值或峰峰值超过时域阈值范围，和/或提取到的特征量超过频域阈值范围时，发出预警或警示信息或暂停激光器对被辐照物的辐照。
优选地，所述传输介质为超声偶联凝胶。
优选地，所述光声探测装置还包括脉冲接收器，用于将所述超声换能器输出的激发光声信号放大；由所述信号采集设备采集脉冲接收器输出的激发光声信号。
优选地，所述时域阈值范围通过以下方法获得：
获得历史光声信号，在时域的信号处理方面找到并提取历史光声信号中随时间变化最大的峰值信号，接着，对该峰值信号进行峰值或峰峰值的提取，分析其随时间的变化程度与趋势，将峰值或峰峰值随时间变化的程度和趋势与由专业人员标定的节点进行匹配，得到针对具体疾病或特定皮肤区域的与各节点相对应的控制环节所需的时域阈值范围。
优选地，所述频域阈值范围通过以下方法获得：
获得历史光声信号后，再获得其频谱，提取频谱的相关频域的特征量，分析其随频率变化的变化趋势和程度，将特征量随频率变化的变化趋势和程度与由专业人员标定的节点进行匹配，得到针对具体疾病或特定皮肤区域的与各节点相对应的控制环节所需的所述频域阈值范围。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提出一种全新的激光治疗模式，将无损的光声检测、成像技术赋能至现有激光治疗相关的技术上。
本发明通过引入监控或反馈系统，减少治疗附带的可逆或不可逆伤害，最优化治疗方案，以达到精准治疗的效果，并为自动化激光治疗打下基础。
附图说明
图1为光声监测纹身清洗过程系统的实验装置；
图2为光声监测纹身清洗过程信号处理过程流程图；
图3(a)为PA信号时域波形；图3(b)为激光治疗前后仿体上被照射区域的比较；图3(c)为被选择的PA峰值信号在纹身去除过程中的振幅变化；
图4(a)为在等时间间隔内选取6个时域PA信号，并标记所选峰值；图4(b)为在一块纹有红色图案的猪皮上，经过一段时间的照射后，标记区域的颜色变化情况；图4(c)为激光照射一块未纹身的猪皮时所选PA峰值的振幅变化；图4(d)为激光照射纹身区域过程中所选PA峰值的振幅变化；
图5(a)为以等间隔时间选择的PA信号；图5(b)为激光处理过程中所选PA峰值的振幅变化。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明为了解决激光治疗过程缺乏外控的问题，引入监控、引导、反馈系统。
以去纹身为例进一步说明本发明。根据光声效应和选择性光热理论，当脉冲激光照射到靶组织时，附着在表皮皮肤上的纹身墨水应被分散成游离片段，可以导致光声信号的峰值下降。当过度处理时，皮肤会被烫伤甚至被烧毁。检测到的信号峰值可能会以另一种形式下降(例如：稍增，然后继续下降，或下降斜率不同)。为了观察整个过程，激光照射周期设计得足够长，其中包括治疗和过度治疗两个阶段。
实验样品采用仿体和体外样本。第一个初步实验是在白色琼脂块上进行的，仿体用黑色墨水(TI4002-5，Solong刺青)纹身。通过从侧面向大约2.4毫米的深度注射少量墨水来模拟仿体上的假纹身。第二和第三个体外实验的样本是一块猪皮，由专业人员在上面纹上红线纹身。在前两次实验中，试品与超声换能器之间的超声传输介质为水。换句话说，使用一个装有足够水量的水箱来容纳样本和超声探头。随后，为更好地适应实际应用场景，我们将传输介质改为超声偶联凝胶。
本实验中所设计的激光系统是模仿实际激光治疗系统的辐照部分，在医院中广泛应用。本发明采用重复频率为5Hz的532nm波长脉冲激光器(LPS-532-L，CNI激光器)。为了观察和收集完整的去纹身过程，本发明选择了一个相对较小的激光，激光输出脉冲能量为67毫焦。如图1所示，激发光声信号由中心频率为5MHz的超声换能器(I5P6NF-H，DopplerInc.)接收，并由脉冲接收器(DPR300，JSR Ultrasonics Inc.)放大46dB。然后用示波器(DPO 5204B,Tektronix Inc.)对放大后的信号进行采集和平均。然后可以对采集到的光声信号进行分析(如幅值，频率等)，判断激光治疗的效果和阶段，从而指导下一步激光治疗的方案(如脉冲能量、脉冲数、是否完成治疗的判断等)。
具体信号处理和分析如图2所示，描述如下：对于刚开始一段时间内的光声信号，首先在时域的信号处理方面找到并提取光声信号中随时间变化最大的峰值信号。接着，对该时域光声信号进行峰值或峰峰值的提取，分析其随时间的变化程度与趋势。在频域方面，先进行傅里叶变换等操作得到光声信号的频谱，再提取相关频域的特征量(如：峰值、带宽)，分析其随频率变化的变化趋势和程度。之后，再根据医疗、医美领域里的专业人员标定的节点确定、标定到这些提取量的变化趋势中，进行匹配，得到针对具体疾病或特定皮肤区域的控制环节所需的阈值范围。由此，可对之后每时刻的激光诊疗过程进行系统性的监测与反馈(如：PID)，超过阈值范围时系统就发出预警或警示信息或暂停激光诊疗，达到控制的目的。并且，本发明运用PID等控制方法使闭环系统稳定、鲁棒性佳。
总之，本发明通过将这些提取量与实际的激光治疗效果与程度之间建立关系，可以对激光治疗过程进行较为精准的监测，再通过反馈系统对激光系统进行反馈与控制，达到引导激光治疗的效果。
以上说明是以去纹身这个具体应用来举例的，但该方法的使用场景并不限于单一应用。所有跟激光治疗相关的应用场景，都可以通过检测光声信号来指导其治疗方案，并评估其治疗效果。
仿体实验初步验证了发明的可行性。少量纹身墨水从琼脂假体侧面注射。墨水凝固后，它被附着在琼脂上，模仿纹身。图3(a)显示了受激光声信号的时域波形之一。本发明选择了代表信号变化的最大峰值与模拟纹身去除时间一起绘制，如图3(c)所示。采用指数函数拟合，拟合参数R2达到95.19％。图2(c)清楚地说明了PA信号的峰值振幅随着辐照时间的增加而下降，这与引言中分析的假设相吻合。经过大约70秒的照射后，在图3(b)中被照射点的中间出现了一个洞。这种现象代表过度辐射。如果样品是一块人体皮肤，那么这块皮肤会被烧尽，这说明存在过度治疗。
为了减少过度治疗的可能性并优化整个治疗过程，本发明分两个阶段进行了体外实验。在第一阶段，用一块有红墨水纹身的猪皮代替样品，如图4(b)所示。在激光治疗过程中，辐照后的猪皮经历红墨水褪色直到皮肤被烧焦的阶段。图4(a)鲜明地说明了，第二个最大峰值可以表示由于激光处理导致的信号变化到最大程度的情况。六个PA信号以相等的时间间隔被选择。提取选定的峰信号后，可得到其振幅与激光照射时间的关系，如图4(d)所示。虽然在处理过程中曲线上升了一点，但总体下降趋势与之前的仿体实验一致。在大约35秒激光辐照时长的转折点可以表明颜料完全被打散了。35～50秒的振幅震荡变化可能代表了色素被打散阶段和皮肤烧焦阶段之间的不稳定时期。如图3所示(c)，可以发现：当激光辐照是一片纯粹的猪皮没有任何纹身，选择的PA信号幅度1.5～2V之间呈现下行趋势，这很类似于图4(b)中50-70秒之间的曲线，表明它是皮肤被灼烧的阶段。
在第三个实验中，用超声耦合凝胶作为透射介质。对图5(a)所示的PA信号使用相同的选峰方法，定位了所选的峰并得到了其相关关系。与第二次实验不同的是，经过70秒的照射后，用肉眼很难识别纹身猪皮上墨水颜色的变化。然而，当用棉签轻拍被照射区域的表面时，一些红墨水残留在棉签上。说明在此过程中仅存在颜料被打散的情况。从图5(b)可以推测，大约30秒的激光照射后，色素已经被打散。由于本实验的离体特征，猪皮内不再存在新陈代谢，这可能导致分散的色素无法扩散，表现为曲线变平。此外，猪皮上的耦合凝胶层吸收了部分激光能量，可能导致纹身的颜色变化难以区分。
综上所述，本发明论证了所提出的光声引导激光治疗过程的可行性。三个实验证明了所提出的光声信号探测激光治疗程度的方法的可行性，并揭示了所选PA信号峰值的幅值与激光处理周期的关系。当激光对猪皮样品进行照射时，色素被打散过程中光声信号振幅随激光照射时间的增加而先下降，我们发现它在中区保持平坦。如果过度治疗发生，振幅可能再次下降。光声检测方法显示了其独特的能力，监测整个激光处理过程的不同阶段。

Claims (5)

1.一种用于引导激光治疗的光声探测装置，其特征在于，包括：
激光器，用于辐照被辐照物；
超声换能器，超声换能器通过位于被辐照物与其之间的传输介质采集被辐照物产生的激发光声信号；
信号采集设备，用于采集超声换能器输出的激发光声信号并做平均处理；
控制单元，用于对信号采集设备采集到的激发光声信号进行分析，判断激光治疗的效果和阶段，其中，对信号采集设备采集到的激发光声信号进行分析包括以下步骤：
在时域的信号处理方面找到并提取光声信号中随时间变化最大的峰值信号，对该峰值信号进行峰值或峰峰值的提取；
同时，获得光声信号的频谱后，再提取相关频域的特征量；
若提取到的峰值或峰峰值超过时域阈值范围，和/或提取到的特征量超过频域阈值范围时，发出预警或警示信息或暂停激光器对被辐照物的辐照。
2.如权利要求1所述的一种用于引导激光治疗的光声探测装置，其特征在于，所述传输介质为超声偶联凝胶。
3.如权利要求1所述的一种用于引导激光治疗的光声探测装置，其特征在于，所述光声探测装置还包括脉冲接收器，用于将所述超声换能器输出的激发光声信号放大；由所述信号采集设备采集脉冲接收器输出的激发光声信号。
4.如权利要求1所述的一种用于引导激光治疗的光声探测装置，其特征在于，所述时域阈值范围通过以下方法获得：
获得历史光声信号，在时域的信号处理方面找到并提取历史光声信号中随时间变化最大的峰值信号，接着，对该峰值信号进行峰值或峰峰值的提取，分析其随时间的变化程度与趋势，将峰值或峰峰值随时间变化的程度和趋势与由专业人员标定的节点进行匹配，得到针对具体疾病或特定皮肤区域的与各节点相对应的控制环节所需的时域阈值范围。
5.如权利要求1所述的一种用于引导激光治疗的光声探测装置，其特征在于，所述频域阈值范围通过以下方法获得：
获得历史光声信号后，再获得其频谱，提取频谱的相关频域的特征量，分析其随频率变化的变化趋势和程度，将特征量随频率变化的变化趋势和程度与由专业人员标定的节点进行匹配，得到针对具体疾病或特定皮肤区域的与各节点相对应的控制环节所需的所述频域阈值范围。
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