CN113643951A - 一种基于荧光三维影像的离子聚焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于荧光三维影像的离子聚焦装置，离子聚焦装置与控制单元连接，离子聚焦装置设置在离子束的发射路径上并将通过深度调节板的扩散的离子束聚焦在靶区，离子聚焦装置包括离子聚焦组件，离子聚焦组件包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别通过电磁控制的机械架独立进行角度参数和位置参数的控制；第一透镜设置在深度调节板的离子束输出路径上，由深度调节板降低能量并扩散的离子束通过第一透镜的折射形成平行的离子束，控制单元控制第二透镜将平行的离子束聚焦在靶区的目标点。本发明调整离子束的路径并使得离子束聚焦，根据肿瘤位置的位移直接进行离子束的聚焦点的适应性调整，照射的精确度更高，对健康组织的损害更小。

Description

一种基于荧光三维影像的离子聚焦装置

本发明是申请日期为2021年5月11日，申请名称为一种基于荧光探针扫描的离子束控制装置，申请号为202110508180.4，申请类型为发明的发明专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及荧光探针扫描应用技术领域，尤其涉及基于荧光三维影像的离子聚焦装置。

背景技术

离子束是指以近似一致的速度沿几乎同一方向运动的一群离子。离子源是用以获得离子束的装置。在各类离子源中，用得最多的是等离子体离子源，即用电场将离子从一团等离子体中引出来。这类离子源的主要参数由等离子体的密度、温度和引出系统的质量决定。

重离子束以其独特的物理学和生物学特点作为肿瘤放疗射线极具优势。重离子治疗在临床上取得了良好的疗效，有可能成为一种先进的肿瘤放疗技术。基础生物医学研究的深入有望为重离子治疗肿瘤的最佳束流品质的选择提供理论依据。

但是，当前的离子束在射出时需要经过透板以便进行深度调节，这就使得从透板发出的离子束经过了折射，离子束会出现分散，离子束射在照射靶区的范围较宽，使得损伤健康组织的面积较大。

例如，中国专利CN101285887B公开了一种重离子束治癌当中剂量监测探测器标定和校准的装置，其结构特征是在束流轴线上依次放置准直器、剂量监测探测器、迷你型脊形过滤器、水箱和标准电离室，标准电离室置于水箱中。通过标准电离室在水介质中不同深度处吸收剂量的测量得到照射束流微小展宽Bragg峰(mini-SOBP)在水中的深度位置。在该深度位置处，利用标准电离室对剂量监测探测器进行了标定和校准，得到剂量监测探测器对具有高斯型分布微小展宽Bragg峰治癌束流测量的标定和校准因子。但是，该剂量检测探测器只能对离子束的深度进行探测和每一次发射的调整，却无法实时地调整离子束的深度。

当前一般根据由荧光探针形成的影像对肿瘤位置的判断，但是还没有将荧光探针直接用于离子束照射的装置。原因在于，即使荧光探针能够将肿瘤位置与健康组织位置区分，扩散的离子束依然会对健康组织进行射伤，因此使用荧光探针无法明显提高离子束照射装置的靶向精度。

例如，中国专利CN 102288589B公开了一种超分辨荧光显微成像系统，所述系统包括：用于采集多幅荧光图像的图像采集器，以及与所述图像采集器相连接、用于获取超分辨荧光图像的图像处理器；所述图像处理器包括单个荧光探针的定位装置；以及输入端与所述图像采集器相连接、输出端与所述定位装置相连接的搜索装置，用于搜索每幅荧光图像的极大值点；与所述定位装置相连接的重构装置，用于根据所述定位装置输出的每个荧光探针的位置信息重构超分辨荧光图像。该荧光图像虽然能够实现准确的定位，但是，荧光探针得到的平面影像与实际肿瘤组织的三维轮廓存在差距和误差，使得离子束即使依据荧光的平面影像进行照射也会损伤大量的健康组织细胞。

如何根据荧光探针得到三维的肿瘤细胞影像并进行实时的位移反馈以使得离子束能够以超高精度进行肿瘤细胞的照射，是当前没有解决的技术问题。

美国专利US2011/0105821A1公开了基于运动传感器进行离子束控制，运动传感器为记录目标体积的位置和/或运动的视频系统。该发明中，偏转装置仅仅是实现对于离子束的角度偏转作用。该发明中第一偏转装置与第二偏转装置实际上是位于“楔形结构”的两侧的，本发明的离子束聚集组件中的第一透镜和第二透镜是位于“楔形结构”——深度调节板的输出侧的。本发明其所构成的光路结构也是与该发明的光路结构显著不同的，两者所能实现的技术效果也自然是显著不同的。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种基于荧光探针扫描的离子束控制装置，至少包括设置有离子束偏转组件的加速器和控制单元，控制单元用于控制离子束偏转组件以调节离子束的照射方向，在离子束的发射路径上设置有深度调节单元，所述深度调节单元至少包括深度调节板和至少一个能够使得离子束聚焦的离子聚焦组件，所述离子聚焦组件将通过所述深度调节板的扩散的离子束聚焦在靶区。相对于现有技术中的离子束由于深度调节出现的扩散效应，适当的离子束聚焦能够形成精确的点来对肿瘤细胞进行照射打击，从而在照射肿瘤组织时减少对健康组织的误伤。

优选地，还包括能够基于探针发出的荧光光谱确定肿瘤组织位移的位移检测装置。通过位移检测装置对荧光探针的荧光采集，能够明确肿瘤组织与健康组织的边界。在使用离子束照射时，控制单元能够基于肿瘤组织的移位适应性通过调整路径上的深度调节板、透镜等来适应性改变路径和深度，从而使得离子束照射不会由于患者的呼吸出现照射误差，提高了离子束的照射效率。

优选地，所述控制单元与所述位移检测装置建立通信连接，所述控制单元基于所述位移检测装置监测的肿瘤组织的位移来实时调整所述深度调节板、离子聚焦组件中的透镜的位置参数和角度参数，使得离子束以指定的能量和位置照射靶区。

所述离子聚焦组件包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜设置在所述深度调节板的离子束输出路径上，从而由所述深度调节板降低能量并扩散的离子束通过所述第一透镜的折射形成平行的离子束，所述控制单元控制所述第二透镜将平行的离子束聚焦在靶区的目标点。相比于现有技术的扩散照射，本发明的聚焦照射能够对肿瘤组织的边缘进行更精准的照射。

优选地，所述装置还包括图像处理单元和图像显示单元，图像处理单元基于位移检测装置采集的荧光数据进行处理并形成含有肿瘤组织的位置信息的影像，图像显示单元用于显示含有肿瘤组织的位置信息的影像。通过图像处理单元能够快速基于荧光数据形成肿瘤组织的位置信息，有利于控制单元快速对离子束的路径进行调整。

优选地，所述位移检测装置包括至少两个采集角度不同的光谱传感器，至少两个光谱传感器以对称或者非对称的方式设置在待照射位置的附近。如果仅使用一个光谱传感器，荧光的堆叠可能会导致光谱传感器对其他区域的光检测的误差。两个采集角度不同的设置方式，能够在两个光谱传感器对某个区域点采集的荧光数据误差大于预设的误差阈值的情况下，对该区域点的荧光数据进行重复采集，有利于消除荧光的采集误差，从而得到准确的发出荧光的肿瘤位置，提高肿瘤位置及其位移的精度。

优选地，至少两个光谱传感器以采集角度相对称方式设置在待照射位置的附近。采集角度对称设置，有利于对肿瘤组织以完整范围的角度采集，避免遗留局部区域的荧光。

优选地，所述位移检测装置至少基于荧光探针的荧光数据确定待照射位置，并且位移检测装置基于所述荧光数据的变化确定待照射位置的位移；响应于所述位移检测装置发送的待照射位置的位移信息，所述控制单元控制深度调节板和至少一个能够使得离子束聚焦的离子聚焦组件来调节离子束的路径，直至离子束的照射点与待照射位置匹配。

优选地，图像处理单元与控制单元建立连接，所述图像处理单元能够基于荧光探针的荧光强度、点源位置确定待照射区域的三维影像。

优选地，响应于图像处理单元发送的待照射区域的三维影像信息，所述控制单元基于待照射位置的物理特征更换对应直径的离子束。

本发明还提供一种基于荧光三维影像的离子聚焦装置，所述离子聚焦装置与控制单元连接，所述离子聚焦装置设置在离子束的发射路径上并将通过深度调节板的扩散的离子束聚焦在靶区，其中，所述离子聚焦装置至少包括离子聚焦组件，离子聚焦组件包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别通过电磁控制的机械架独立进行角度参数和位置参数的控制；所述第一透镜设置在所述深度调节板的离子束输出路径上，从而由所述深度调节板降低能量并扩散的离子束通过所述第一透镜的折射形成平行的离子束，所述控制单元控制所述第二透镜将平行的离子束聚焦在靶区的目标点。

优选地，离子聚焦装置还包括能够基于探针发出的荧光光谱确定肿瘤组织位移的位移检测装置，所述位移检测装置至少基于荧光探针的荧光数据确定待照射位置，并且位移检测装置基于所述荧光数据的变化确定待照射位置的位移；响应于所述位移检测装置发送的待照射位置的位移信息，所述控制单元控制深度调节板和至少一个能够使得离子束聚焦的离子聚焦组件来调节离子束的路径，直至离子束的照射点与待照射位置匹配。

离子聚焦装置所述控制单元基于所述位移检测装置监测的肿瘤组织的位移来实时调整所述深度调节板、离子聚焦组件中的透镜的位置参数和角度参数，使得离子束以指定的能量和位置照射靶区。

离子聚焦装置所述深度调节单元至少包括深度调节板，所述深度调节板呈直角椎体，并且倾斜面朝向所述第一透镜设置，所述控制单元能够通过深度调节板在离子束路径上的穿透厚度的调节来控制离子束的照射深度变化。

优选地，所述深度调节板、第一透镜和第二透镜的物理参数存储在与控制单元连接的数据库中，所述数据库中存储有若干种离子束路径的调节方案以及调节参数，使得控制单元能够根据照射的靶区位置快速获得调节参数。

优选地，当需要较细的离子束对肿瘤组织的靶区进行照射时，尤其对于处于临近健康组织的肿瘤组织进行照射时，所述控制单元通过适应性调节深度调节板、第一透镜和第二透镜的位置和角度来使得汇聚的离子束处于靶区。

优选地，当照射的靶区不处于肿瘤组织的边缘区域时，所述控制单元能够通过将第二透镜移出离子束的路径的方式来进行调节，使得第一透镜透出的平行离子束以较大的照射面积对靶区以非聚焦的状态对肿瘤细胞进行照射。

优选地，所述离子聚焦装置还包括离子发射源，所述离子发射源包括至少一个主发射端和若干副发射端，所述主发射端的尖端角度大于副发射端的尖端角度，所述主发射端发出的离子束的直径大于副发射端发出的离子束的直径。

优选地，响应于由图像处理单元发送的肿瘤组织的三维影像，所述控制单元在照射位置较大时开启主发射端进行离子束的发射。

优选地，在照射位置为肿瘤组织边缘时，所述控制单元能够选择关闭主发射端并开启离子束直径更小的一个副发射端，以更小直径的离子束集中对肿瘤组织的边缘靶区进行照射。

附图说明

图1是本发明的离子束控制装置的使用示意图；

图2是本发明的离子束控制装置的逻辑结构示意图；

图3是本发明的离子束控制装置的其中一种实施方式的示意图；

图4是本发明的离子束控制装置的另一种实施方式的示意图；

图5为本发明的离子发射源的其中一种实施方式的示意图。

附图标记列表

1：患者；2：肿瘤组织；3：荧光探针；4：控制单元；5：图像处理单元；6：图像显示单元；10：加速器；11：离子束偏转组件；12：深度调节板；13：第一透镜；14：第二透镜；15：第一光谱传感器；16：第二光谱传感器；20：离子发射源；21：主发射端；22：第一副发射端；23：第二副发射端；24：第三副发射端。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于荧光探针扫描的离子束控制装置，能够通过扫描肿瘤组织内荧光探针发出的荧光确定肿瘤组织的三维位置，针对移位的患者进行适应性偏转，并且根据荧光强度以及待照射肿瘤位置来调节离子束的深度和直径，使得离子束能够以对应的直径来进行照射，提高离子束的照射精度，减少健康组织的损伤。

本发明中，控制单元和图像处理单元均可以是具有数据处理能力且能够发生控制指令的服务器、处理器、专用集成芯片中的一种或几种。图像显示单元为具有能够显示图像的屏幕的装置。

本发明提供一种基于荧光探针扫描的离子束控制装置，至少包括离子发射源、一个加速器、位移检测装置和深度调节装置。离子发射源、加速器、位移检测装置和深度调节装置分别与控制单元以有线或无线的方式进行信号连接。

加速器主要由同步加速器或同步回旋加速器构成，其中质量相等或者能量相等的离子能够逐步加速为更高能量的离子束。加速器中的离子束的能量是可调节的，从而加速器能够在深度上交错地对肿瘤组织进行照射。

通过调节离子束的能量来调节离子束的照射深度，使得肿瘤组织能够逐层地被扫描。

由于加速器控制功能的复杂性，离子束的能量无法足够快地或无法以必要的精度适应指定的肿瘤组织或患者位置进行运动。本发明的深度调节单元通过对离子束进行适应性的深度调节，即深度调节单元适应性地改变离子束的路径长度来改变离子束的深度。深度调节单元能够改变离子束的能量，使得由加速能量预定的最大剂量负载区域，即所谓的离子束的布拉格最大，其发生在离子束的不同深度。通过深度调节单元改变穿透深度，使得布拉格最大值在所需层中产生。深度调节单元设置在电磁控制的滑动机械架上，使得深度调节单元能够在毫秒内进行快速移动，以适应靶区的位移。

位移检测装置至少包括两个光谱传感器，能够对于肿瘤组织中的荧光光谱进行检测并确定肿瘤组织的位置坐标。光谱传感器能够采集荧光探针发出的荧光光谱的数据。例如，近红外传感器能够检测到荧光探针发出的近红外光的光强、亮度、光位置等参数。

优选地，肿瘤组织含有发出荧光的指示性物质。例如，指示性物质为ATP敏感脂质体。ATP敏感脂质体兼具主动瘤靶向性、ATP敏感的荧光发射和药物释放开关和体内长循环功能，实现将肿瘤近红外荧光显像肿瘤诊断和肿瘤照射结合在同一脂质体上。

ATP敏感荧光探针脂质体为将载有阿霉素的ATP敏感核苷酸双链封装在偶联有肿瘤靶向多肽的脂质双分子层膜内形成的纳米囊泡。ATP敏感核苷酸双链由偶联荧光染料的ATP敏感核苷酸单链和偶联荧光淬灭剂的ATP敏感核苷酸互补单链根据碱基互补配对原则自组装形成。偶联有肿瘤靶向多肽的脂质双分子层膜由肿瘤靶向多肽偶联的聚乙二醇化磷脂酰乙醇胺、磷脂和胆固醇组成，肿瘤靶向多肽偶联的聚乙二醇化磷脂酰乙醇胺、磷脂、胆固醇的摩尔比为(2～8)∶(42～78)∶(20～50)。近红外荧光显像功能的载药ATP敏感脂质体平均粒径约为＝100nm，不仅能通过物理靶向，即肿瘤微血管增强渗透和滞留效应(EPR效应)到达肿瘤组织，并且由于偶联了具有高特异性和高稳定性的肿瘤靶向多肽，可以通过主动靶向到达肿瘤组织。通过双重靶向作用，显著提高肿瘤靶向效率，实现肿瘤的高特异性显像。

载药ATP敏感脂质体利用胞内高浓度ATP作为荧光开关，静脉注射进入人体后在血液循环过程中探针信号处于“沉默”状态，药物吸附在核苷酸双链上不释放，进入肿瘤细胞后在高浓度ATP环境中的核酸双链解开，荧光信号“开启”，荧光强度显著提高，大幅度提高肿瘤/正常组织以及血液间的信噪比，同时药物大量快速释放，进而实现早期/小体积肿瘤的准确示踪作用。

位移检测装置根据肿瘤组织释放的荧光光谱来确定肿瘤组织的移动位置从而确定肿瘤组织的位移。通过荧光光谱来确定肿瘤组织的位置，能够控制离子束仅对肿瘤组织进行切割，避免离子束对健康组织的伤害。

优选地，加速器能够使离子束中的离子的能量保持恒定，但是不能够使得每个位置点的离子数量随时间保持恒定。为了使等量的离子束剂量摄入肿瘤组织的每个位置点，本发明还包括能够实时监测离子束流强度的电离采集组件。电离采集组件设置在离子束的路径中，采集离子束的强度数值。电离采集组件能够采集离子束在肿瘤组织的一个位置点的照射停留时间。在照射量达到指定剂量后，控制单元控制离子束向下一个位置点进行移动并照射。即控制单元通过将肿瘤组织的扫描体积切割为网格，在网格区域有序地进行肿瘤组织的切除。

某个位置的肿瘤组织越多，近红外荧光的整体亮度越高。图像处理单元能够根据肿瘤组织内的荧光探针发出的荧光来形成三维的肿瘤组织影像。例如，位移检测装置横向采集肿瘤组织的二维位置信息，纵向采集肿瘤组织的纵向位置信息，将二维位置信息和纵向位置信息合成肿瘤组织的各个点位的三维图像信息。

如图1所示，患者1躺在照射台上。肿瘤组织2内的荧光探针3发射出荧光。加速器10的离子束出口设置有离子束偏转组件11，离子速偏转组件11能够基于控制组件的控制调节离子束的发射方向。发射出的离子束经过深度调节装置后到达靶区。

现有技术中，离子束的深度通过移动相对的两个锲形维度(例如，X和Y)进行偏转，例如在相互垂直的两个方向上进行偏转的挡板来调节。当离子束的深度(剂量)需要调低，就增加挡板的阻挡深度来降低离子束的能量。当离子束的深度(剂量)需要调高，就通过减少挡板的阻挡深度来增加离子束的能量。但是，锲形的挡板在减少离子束能量的同时，其锲形的结构也使得透过挡板的离子束出现平移和扩散的作用，使得照射在患者身上的离子束不是聚焦的，而是扩散的多点，增大了健康组织被损伤的可能性。

针对现有技术的缺陷，本发明的深度调节装置至少包括深度调节板12和能够将离子束聚焦的离子聚焦组件。离子聚焦组件至少包括相邻设置的第一透镜13和第二透镜14。第一透镜13和第二透镜14优选为允许离子透过的电凸透镜。本发明不限于凸透镜的选择，离子聚焦组件还可以设置为由其他离子透镜构成的能够实现相同功能的组件。

如图1至图4所示，深度调节板12呈直角椎体，并且倾斜面朝向第一透镜13设置。从离子束偏转组件11射出的离子束在透过深度调节板12时，部分能量损耗。由于深度调节板的直角锥结构的折射作用，通过深度调节板12的离子束存在扩散趋势。扩散的离子束摄入第一透镜13恢复为平行的离子束。平行的离子束通过第二透镜14并在其焦点聚焦在一起，形成离子束照射点。

在本发明的离子束通过深度调节装置的路径过程中，第一透镜和第二透镜的造成的离子束能量损失是固定的，只有深度调节板对离子束的能量衰减是可调节的。因此，控制单元能够通过深度调节板12在离子束路径上的穿透厚度的调节来控制离子束的照射深度变化。

相对于现有技术，本发明能够使得离子束最终以聚焦的形式对发出近红外荧光的肿瘤组织进行照射，以准确的精度对肿瘤组织进行破坏，减少了健康组织被破坏的几率。

优选地，如图3和图4所示，第一透镜和第二透镜分别通过电磁控制的机械架独立进行角度参数和位置参数的控制。当需要较细的离子束对肿瘤组织的靶区进行照射时，尤其对于处于临近健康组织的肿瘤组织进行照射时，控制单元通过适应性调节深度调节板、第一透镜和第二透镜的位置和角度来使得汇聚的离子束处于靶区，提高照射的精确度。优选地，第一透镜、第二透镜的焦距参数是已知的，预先存储在数据库中，便于控制单元基于自身或图像处理单元计算的照射位置以及深度来调节透镜的位置和角度。第一透镜和第二透镜之间的距离能够通过机械架上设置的位置传感器来检测和采集到。

在患者的靶区由于呼吸而出现移位时，控制单元能够通过调节深度调节板12的穿透厚度以适应性的深度来照射肿瘤组织，避免离子束深度不足或者离子束深度过量的现象。

由于肿瘤组织内发出的近红外荧光使得肿瘤组织与健康组织存在清晰的边缘界限，因此对于边缘界限的肿瘤组织的照射需要更高的照射精度，更好地保护健康组织，促进患者尽快康复。

优选地，如图4所示，当照射的靶区不处于肿瘤组织的边缘区域，照射靶区的位置出现偏差也无影响。此时，控制单元能够通过将第二透镜移出离子束的路径来进行调节，使得第一透镜透出的平行离子束以较大的照射面积对靶区进行照射。如此设置，能够使得平行的离子束直径变大，以非聚焦的状态对肿瘤细胞进行照射，缩短照射时间。

优选地，第一透镜13和第二透镜14的位置通过可电磁控制移动的机械装置均是可以实时调节的，使得最终聚焦的离子束能够在肿瘤组织的不同部位移动。控制单元基于靶区内的下一个照射点的深度和位置实时计算深度调节板12、第一透镜13和第二透镜14的位移，从而实时移动深度调节板12、第一透镜13和第二透镜14来使得离子束改变路径方向并聚焦在靶区的目标照射点。

本发明中的离子聚焦组件不限于用于控制离子束的路径，还能够用于其他用途。

优选地，深度调节板12、第一透镜13和第二透镜14的物理参数存储在与控制单元连接的数据库中。优选的，数据库中存储有若干种离子束路径的调节方案以及调节参数，使得控制单元能够根据照射的靶区位置快速获得调节参数。

相对于现有技术中离子束分散照射在肿瘤边缘的情况相比，本发明通过将离子束聚焦来实现直径更小、精度更高的照射打击，处理与健康组织临近的肿瘤组织时能够降低健康组织被照射到的概率，保护更多的健康组织。

现有技术中的离子发射端设置为一个，是由于离子束经过深度调节后存在扩散状态，即使调节离子束的直径，对于照射在肿瘤组织上的精确度的提高也不明显。传统的离子放射控制中，采用X射线来形成二维的肿瘤组织影像，对于照射位置尤其是肿瘤边缘位置也存在偏差，即使调节离子束直径也会伤害较多的健康组织。

优选地，本发明的离子发射源内的离子发射端不限于一个，还可以发出两束离子束，三束离子束甚至更多。如图5所示，离子发射源20包括至少一个主发射端21和若干副发射端。主发射端21的尖端角度要大于副发射端的尖端角度。发射端的尖端角度越大，尖端能够排列的原子数量越多，发出的离子束的直径就越大。因此，主发射端21发出的离子束的直径大于副发射端发出的离子束的直径。此处的尖端角度是指尖端的沿轴线的纵向截面中，尖端表面倾斜面与纵向中轴线之间的角度。

例如，副发射端包括第一副发射端22、第二副发射端23和第三副发射端24。若干副发射端的尖端角度可以相同也可以不同。

当控制单元基于图像处理单元形成的肿瘤组织的三维影像，在照射位置较大时开启主发射端21进行离子束的发射。在照射位置为肿瘤组织边缘时，控制单元能够选择关闭主发射端21并开启离子束直径更小的一个副发射端，以更小直径的离子束集中对肿瘤组织的边缘靶区进行照射，直径更小的离子束有利于对照射靶区位置的精确控制，进一步减少对健康组织的射线伤害。

控制单元能够基于靶区的大小来选择离子束发射端，当靶区的面积足够大时，控制单元甚至能够开启主发射端21和所有副发射端对肿瘤组织进行大面积照射。相比于现有技术中的单一的离子发射端的设置，本发明的多个离子发射端能够形成直径不相同的离子束，针对照射位置的物理特征进行选择，从而提高离子束射线的照射精度。

在荧光探针能够清晰显示肿瘤组织的轮廓影像的情况下，本发明将离子发射端设置为多个，利用不同的直径的离子束能够针对肿瘤组织的物理特征进行分别照射。因此，只有建立在肿瘤组织与健康组织具有清晰边界的基础上，本发明的多个发射端的设置能够进一步为离子束照射需要提供差异化的照射，满足不同物理差异的肿瘤组织的照射需要，从而尽可能地减少对健康组织的照射和伤害。

特别对于形状不规则的肿瘤细胞的边缘部位，使用直径较小的离子束明显能够更灵活地按照肿瘤组织的轮廓去有序地照射肿瘤细胞。在离子束照射时，更细直径的离子束损伤的健康组织更少。

本发明的位移检测装置用于检测肿瘤组织在照射范围内的时间和位置变化。位移检测装置至少包括第一光谱传感器15和第二光谱传感器16。

第一光谱传感器15和第二光谱传感器16能够基于肿瘤组织的荧光光谱将肿瘤组织位置进行身体上的坐标标记，并且发送至图像处理单元。第一光谱传感器15和第二光谱传感器16例如可以是能够采集荧光光谱的摄像装置。当身体由于呼吸等任何原因发生位移时，肿瘤组织的坐标以及关联的时间发生变化，从而确定肿瘤组织的位置变化量。

优选地，第一光谱传感器15和第二光谱传感器16以不同的空间角度来采集肿瘤组织的坐标位置。

当身体移动，肿瘤组织的坐标发生变化，则图像处理单元5能够快速确定肿瘤组织的新位置。图像显示单元6能够显示照射位置的图像以及照射位置的坐标。优选的，本发明的坐标为含有肿瘤纵向深度的三维坐标。

相对于现有技术通过患者的周期性的、具有个体差异性的呼吸频率、呼吸量来确定肿瘤组织的位置，本发明的离子束不需要关注患者的呼吸信息就能够准确确定肿瘤组织的位置并且进行适应性地照射位置调整，肿瘤组织的位置确定不具有个体差异性，照射精确度更高。

优选地，控制单元4基于图像处理单元5分析得到的肿瘤组织的原发位置进行重点的离子束照射，从而减少原发位置的肿瘤细胞在照射后继续扩散转移的几率。

优选地，控制单元指示第一光谱传感器15和第二光谱传感器16对肿瘤组织的荧光光谱进行采集并形成肿瘤组织图像，优选地，控制单元控制离子束照射与肿瘤组织图像采集交替进行，从而采集每一次离子束照射后的肿瘤组织的变化。

优选地，图像处理单元采用原发位置预测模型对肿瘤组织的影像进行分析，从而得到肿瘤的原发位置的预测并显示在进行离子束照射的图像显示单元上。

例如，现有技术普遍是通过穿刺获取DNA切片，并且通过肿瘤内的甲基化数据溯源肿瘤的原发位置。甲基化数据是细胞中基因表达的一种，能够被测出。随着肿瘤的扩散，不同时期的肿瘤内的甲基化数据存在差别，因此，现有技术通过肿瘤细胞基因中的甲基化数据能够溯源确定原发位置。但是此种方法周期长，操作复杂。

本发明中的原发位置预测模型是将若干肿瘤影像样本、原发位置信息进行深度学习算法得到的。

深度学习算法例如可以是卷积神经网络、LASSO等深度学习算法。

将已知原发位置的各个肿瘤位置的甲基化信息与肿瘤组织的物理特征进行关联。例如，设置一对一的关联。病人体内，扩散的肿瘤组织的物理特征存在差异化。肿瘤组织的物理特征由肿瘤组织的影像显示。

优选地，肿瘤组织的物理特征至少包括肿瘤组织的尺寸、厚度、深度、在身体上的位置、预测生长时间等信息。

将肿瘤组织影像样本进行切分形成若干肿瘤组织影片碎片，并且将编码的肿瘤组织碎片与对应的甲基化数据进行对应关联。

本发明中，若干肿瘤组织影片碎片不是任意切割的，而是根据肿瘤组织所在的位置进行完整性切割。例如，肺部的肿瘤组织生长在两个位置，则肺部的影像切割为分别含有不同位置的肿瘤组织细胞。

优选的，同一个肿瘤组织的影像碎片包括多个角度的肿瘤碎片。

将已知的肿瘤原发位置信息、肿瘤转移路径、甲基化数据输入深度学习算法进行长期训练，得到肿瘤组织的物理特征与肿瘤转移路径之间的关联。

将另一批肿瘤组织影像样本输入图像处理单元进行测试，得到预测的肿瘤转移路径和/或原发位置。

现有技术通过穿刺、切片和基因检测来判断肿瘤原发位置的方法，存在必须由具有资质的第三方进行操作和检测，得到结果的周期长，患者在等待期间可能会急剧恶化。本发明的图像处理单元的方法，能够允许医院自行通过肿瘤组织的影像进行原发位置的分析，需要的时间短，能够针对原发位置进行重点的照射。

在患者体内注入ATP敏感荧光探针脂质体的基础上，本发明的离子束照射装置中的位移检测装置既能够通过采集肿瘤组织发出的荧光光谱来生成肿瘤组织的影像，又能够及时进行针对原发位置的重点照射，使得离子束照射的技术效果更好。

本发明的基于荧光探针扫描的离子束控制方法，步骤至少包括：

S1：在患者注入ATP敏感荧光探针脂质体后，通过位移检测装置采集肿瘤组织的荧光光谱信息；

S2：基于荧光光谱信息确定肿瘤组织的位置信息并生成切片影像信息；

S3：将肿瘤组织的切片影像信息进行切割，形成若干肿瘤组织碎片；

S4：原发位置预测模型基于肿瘤组织碎片进行分析，确定至少一个原发位置和/或肿瘤转移路径；

S5：控制单元基于原发位置和/或肿瘤转移路径信息控制加速器的发射端口对肿瘤组织的原发位置进行照射；

S6：图像处理单元周期性地基于位移采集装置采集的肿瘤位置信息生成肿瘤组织影像，并且比较相邻两次影像的肿瘤组织的荧光光谱的变化。

S7：离子聚焦组件将通过深度调节板的扩散的离子束聚焦在靶区。

S8：基于肿瘤组织内的探针发出的荧光光谱确定肿瘤组织的位移，基于位移检测装置监测的肿瘤组织的位移来实时调整深度调节板、离子聚焦组件中的透镜的位置参数和角度参数，使得离子束以指定的能量和位置照射靶区。

优选地，位移检测装置在采集荧光光谱数据后，对近红外的荧光光谱数据的光强、位置信息进行筛选，去除不在光强阈值范围内的杂光数据，从而提高荧光数据的精度，以便得到肿瘤原发位置的准确结果。

优选的，图像处理单元基于荧光光谱的强弱区别、位置区别形成肿瘤组织的三维轮廓影像。

由于肿瘤在身体内的深度不同，ATP敏感荧光探针脂质体发出的近红外荧光被位移检测装置采集的光强度不同，因此能够根据荧光的光强度不同推测出肿瘤组织的深轮廓，从而得到肿瘤组织的三维影像。

优选地，控制单元基于待照射位置的荧光光谱的光强度调节离子束的深度和强度，从而能够避免离子束对肿瘤组织照射太深而误伤健康组织的现象。

本发明中，患者体内的肿瘤组织处于持续的生长变化中，因此离子束照射前的影像与真实情况可能存在误差。本发明通过ATP敏感荧光探针脂质体发出的荧光检测，能够在患者进行照射过程中获取患者的实时的肿瘤组织分布情况，避免遗漏肿瘤组织的照射。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

本发明说明书包含多项发明构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (10)

1.一种基于荧光三维影像的离子聚焦装置，其特征在于，所述离子聚焦装置与控制单元连接，

所述离子聚焦装置设置在离子束的发射路径上并将通过深度调节板的扩散的离子束聚焦在靶区，其中，

所述离子聚焦装置至少包括离子聚焦组件，离子聚焦组件包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别通过电磁控制的机械架独立进行角度参数和位置参数的控制；

所述第一透镜设置在所述深度调节板的离子束输出路径上，从而由所述深度调节板降低能量并扩散的离子束通过所述第一透镜的折射形成平行的离子束，

所述控制单元控制所述第二透镜将平行的离子束聚焦在靶区的目标点。

2.根据权利要求1所述的基于荧光三维影像的离子聚焦装置，其特征在于，还包括能够基于探针发出的荧光光谱确定肿瘤组织位移的位移检测装置.

所述位移检测装置至少基于荧光探针的荧光数据确定待照射位置，并且位移检测装置基于所述荧光数据的变化确定待照射位置的位移；

响应于所述位移检测装置发送的待照射位置的位移信息，所述控制单元控制深度调节板和至少一个能够使得离子束聚焦的离子聚焦组件来调节离子束的路径，直至离子束的照射点与待照射位置匹配。

3.根据权利要求2或3所述的基于荧光三维影像的离子聚焦装置，其特征在于，所述控制单元基于所述位移检测装置监测的肿瘤组织的位移来实时调整所述深度调节板、离子聚焦组件中的透镜的位置参数和角度参数，使得离子束以指定的能量和位置照射靶区。

4.根据权利要求1～3任一项所述的基于荧光三维影像的离子聚焦装置，其特征在于，

所述深度调节单元至少包括深度调节板，所述深度调节板呈直角椎体，并且倾斜面朝向所述第一透镜设置，

所述控制单元能够通过深度调节板在离子束路径上的穿透厚度的调节来控制离子束的照射深度变化。

5.根据权利要求1～4任一项所述的基于荧光三维影像的离子聚焦装置，其特征在于，

所述深度调节板、第一透镜和第二透镜的物理参数存储在与控制单元连接的数据库中，

所述数据库中存储有若干种离子束路径的调节方案以及调节参数，使得控制单元能够根据照射的靶区位置快速获得调节参数。

6.根据权利要求1～5任一项所述的基于荧光三维影像的离子聚焦装置，其特征在于，当需要较细的离子束对肿瘤组织的靶区进行照射时，尤其对于处于临近健康组织的肿瘤组织进行照射时，所述控制单元通过适应性调节深度调节板、第一透镜和第二透镜的位置和角度来使得汇聚的离子束处于靶区。

7.根据权利要求1～6任一项所述的基于荧光三维影像的离子聚焦装置，其特征在于，当照射的靶区不处于肿瘤组织的边缘区域时，所述控制单元能够通过将第二透镜移出离子束的路径的方式来进行调节，使得第一透镜透出的平行离子束以较大的照射面积对靶区以非聚焦的状态对肿瘤细胞进行照射。

8.根据权利要求1～7任一项所述的基于荧光三维影像的离子聚焦装置，其特征在于，所述离子聚焦装置还包括离子发射源，

所述离子发射源包括至少一个主发射端和若干副发射端，所述主发射端的尖端角度大于副发射端的尖端角度，所述主发射端发出的离子束的直径大于副发射端发出的离子束的直径。

9.根据权利要求8所述的基于荧光三维影像的离子聚焦装置，其特征在于，响应于由图像处理单元发送的肿瘤组织的三维影像，所述控制单元在照射位置较大时开启主发射端进行离子束的发射。

10.根据权利要求8所述的基于荧光三维影像的离子聚焦装置，其特征在于，在照射位置为肿瘤组织边缘时，所述控制单元能够选择关闭主发射端并开启离子束直径更小的一个副发射端，以更小直径的离子束集中对肿瘤组织的边缘靶区进行照射。

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