CN212415682U - 氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及了一种氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，包括光源组件、内窥探头组件、扫描组件、采集组件、控制组件、氧含量成像组件。所述光源组件包括光动力光源和双波长近红外光源及其滤光片切换器；所述内窥探头组件包括一束传输光源的光纤和多束收集散射光的光纤；收集散射光的光纤与扫描组件的黑白高感度近红外CCD相连；所述采集组件中的数据采集卡与CCD相连；所述控制系统包括单片机，同步控制光源与CCD同步，以及控制光源的持续发光时间和单波长滤波器的切换时间；采集组件和控制组件与计算机依次电气连接；计算机内含氧成像组件包括图像增强系统、氧定量计算系统。本装置有性能灵敏、快捷，成本低，无创、定量、连续、实时的优点。

Description

氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置

技术领域

本实用新型涉及一种光学成像设备，尤其涉及一种氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置。

背景技术

光动力治疗（PDT）利用病变细胞对光敏剂的选择性摄入和潴留作用，使之在一定时间内较多的存留于病变组织中，此时以特定波长的激光照射病灶部位，在生物组织中分子氧的参与下，可诱发强烈的光化学反应，从而破坏血管和抑制新生血管的，以达到治疗目的。PDT具有组织选择性好、毒副作用低、治疗时间短、能保护容貌和重要器官功能等特点，近年来随着其在技术上的日趋成熟，已广泛应用于肿瘤、皮肤病、炎症、眼科疾病和感染类疾病等。近年来，近红外光谱(NIRS)方法实现人体组织中氧饱和度（也称血氧饱和度）的无创、连续监测。当心血管搏动微弱甚至使用体外循环时，脉搏血氧计已无读数，但组织氧参数无损监测仍能提供信息。因此，近红外光氧检测方法已经用于监测脑、肌肉、皮瓣,肿瘤等局部组织的血运状况。PDT中氧含量是重要的参数，因此，用NIRS检测PDT的治疗效果是一个理想的选择。而以此制成的内窥镜测量氧饱和度来监控光动力治疗效果的装置性能灵敏、快捷，成本低，无创、定量、连续、实时的优点。如果，光动力治疗光源和氧饱和度内窥镜的光源共同使用同一光源，用NIRS测量氧饱和度可以大大节约成本。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置。该装置根据氧合和还原血红蛋白在双波长近红外吸光系数的差异测量氧饱和度的原理，光被组织吸收和散射后，从光源同侧的散射光谱计算到所述组织的氧分布图。尽管近红外光具有较强的穿透力，但是仍然无法深入组织的内部，所以制作氧饱和度内窥镜为在体实现内部组织氧含量提供了可能。内窥镜与光动力治疗技术结合，可以实现诊断和治疗一体化。该装置灵敏、快捷，成本低，无创、定量、连续、实时的优点。

本实用新型为解决上述技术问题采用的技术方案如下：

氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置包括：光源组件、单波长滤光片切换器、光学耦合器、内窥探头组件、近红外高感度CCD摄像机、信号采集组件、计算机和同步控制系统；所述信号采集组件、控制组件与计算机依次电气连接；所述单波长滤光片切换器设置在所述光源组件的前端；所述单波长滤光片切换器上有两个圆孔,单波长滤光片切换器在单一时间内只通过一种波长，实现单波长成像；

所述内窥探头组件包括内窥探头，所述内窥探头包括一束传输光源的光纤和多束收集散射光的光纤；内窥探头的最外围是起保护作用的导管；

所述光学耦合器安装于单波长滤光片切换器和内窥探头组件之间；光源组件发出双波长近红外光从单波长滤光片切换器出射，经光学耦合器进入传输光源的光纤，然后经传输光源的光纤的输出端扫描定位目标组织，目标组织激发的散射光由多束收集散射光的光纤收集；

同步控制系统与光源组件中的光源和近红外高感度CCD摄像机用导线或数据线相连；同时，同步控制系统与计算机相连。

所述的多束收集散射光的光纤通过光学耦合器与近红外高感度CCD摄像机相连；所述近红外高感度CCD摄像机与数据采集卡电气相连，所述数据采集卡与计算机连接；

所述计算机内安装有控制系统软件和图像处理软件；所述图像处理软件包括氧成像诊断系统；所述氧成像诊断系统包括数据图像采集系统、氧成像算法系统、氧值辅助分析系统。

进一步地，所述双波长近红外光光源和光动力治疗光源共焦；所述双波长近红外光分别为760nm和850nm的激光束；所述光动力治疗光源为光敏剂所吸收的波长，若选用吸收峰位于760nm 和850nm之间的光敏剂，光动力治疗光源和氧饱和度内窥镜的光源共同使用同一光源。

进一步地，所述光源组件中的光源均为LED光源。

进一步地，所述单波长滤光片切换器的两个圆孔，一个为760nm波长通过的窗口、一个为850nm波长通过的窗口；确保某一时刻只有一种单波长照射到样品上，照射的持续时间和切换时间由控制系统控制。

进一步地，所述同步控制系统由单片机和继电器组成，单片机控制继电器，继电器控制光源组件发射光源的持续时间和切换顺序，同时单片机控制探头组件，控制近红外高感度CCD摄像机能同步拍摄到每一次单波长激发的散射光。

进一步地，所述传输光源的光纤的输出端为球形扩展尖端；

进一步地，所述内窥探头组件还包括探头保护装置，探头保护装置安装于内窥探头的前端。

进一步地，所述光源和CCD置于同侧，两者之间的距离取决于聚焦深度。

进一步地，所述采集系统和成像系统所用的软件均为Labview软件。

进一步地，所述成像系统是基于计算机平台，在Labview软件用氧成像算法生成图像和完成氧饱和度的定量分析。

实施本实用新型，具有如下的有益效果：

本实用新型中氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，两种光源共焦或者共享同一光源，光动力治疗光源为吸收光敏剂的目标细胞，从而达到破坏目标细胞的目的；而双波长光源激发所述目标细胞的反射式散射光。该散射光体现了所述目标细胞的氧合和还原血红蛋白在双波长近红外吸光系数的差异，以此散射光可计算所述目标细胞的氧饱和度，得到所述目标细胞的氧分布图。该装置有利于氧变化明显的疾病的早期诊断，可以实现诊断和治疗一体化。

附图说明

图1是本实用新型氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置示意图。

图2是本实用新型氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置中探头的横向示意图。

图中：1、光源组件；2、单波长滤光片切换器；3、760nm波长通过的窗口；4、850nm波长通过的窗口；5、传输光源的光纤；6、收集散射光的光纤；7、探头保护装置；8、导管；9、同步控制系统； 10、近红外高感度CCD摄像机；11、信号采集组件；12、计算机；13、光学耦合器。

具体实施方式

下面结合具体的实例及附图对这种氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置的技术方案进行详细的描述，以使其更加清楚。

请参考图1所示,本发明氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果成像装置的结构示意图;所述装置包括光源组件1、单波长滤光片切换器2、光学耦合器13、内窥探头组件，近红外高感度CCD摄像机10、数据采集卡11、计算机12和同步控制系统9；所述信号采集组件、控制组件与计算机依次电气连接。

光源组件1中光动力治疗光源发射的光波被吸收了光敏剂的目标细胞所吸收，所述目标细胞由于受热和光化学作用受到破坏；同时，光源组件1中双波长近红外光聚焦在所述目标细胞内；激发的散射光被置于光源同侧的近红外高感度CCD摄像机10扫描，后被数据采集卡11转换为数字信号，输入到计算机12的图像处理系统。

所述光源组件1中的光源包括光动力治疗光源和氧饱和度内窥镜的光源；所述氧饱和度内窥镜的光源是双波长近红外光，双波长近红外光包括760nm 近红外光和850nm近红外光；所述光源组件1中的光源均为LED光源，经光纤近距离照射病灶区域时光功率密度可达0.1~1W/cm²量级。

所述单波长滤光片切换器2设置在所述光源组件1的前端，所述单波长滤光片切换器2上有两个圆孔,其分别为760nm波长通过的窗口3和850nm波长通过的窗口4。

所述内窥探头组件包括内窥探头和探头保护装置7；探头保护装置7安装于内窥探头的前端，起到保护内窥探头的作用；请参考图2所示，所述内窥探头包括一束传输光源的光纤5和多束收集散射光的光纤6；内窥探头的最外围是起保护作用的导管8；所述传输光源的光纤5的输出端为球形扩展尖端。

所述光学耦合器13安装于单波长滤光片切换器2和内窥探头组件之间；光源组件1发出双波长近红外光，双波长近红外光从单波长滤光片切换器2的两个圆孔出射，经光学耦合器13进入传输光源的光纤5，然后经传输光源的光纤5的输出端扫描定位目标组织，目标组织激发的散射光由多束收集散射光的光纤6收集。

所述同步控制系统9由单片机和继电器组成，单片机控制继电器，继电器控制光源组件1发射光源的持续时间和切换顺序，控制窗口3与窗口4的转换时间；同时单片机控制探头组件，控制近红外高感度CCD摄像机10能同步拍摄到每一次单波长激发的散射光；同步控制系统9与光源组件1中的光源和近红外高感度CCD摄像机10用导线或数据线相连。同时，同步控制系统9与计算机12相连。

所述的多束收集散射光的光纤6通过光学耦合器13与近红外高感度CCD摄像机10相连，双波长近红外光源扫描的部位，光能被该部位血红蛋白吸收和散射后，藴含血红蛋白属性的反射散射光经光纤由所述近红外高感度CCD摄像机10所拍摄。

所述近红外高感度CCD摄像机10与数据采集卡11电气相连，所述数据采集卡11与计算机12连接；数据采集卡11采集近红外高感度CCD摄像机10拍摄的各个波长近红外光的电信号；同时，把近红外高感度CCD摄像机10拍摄的电信号转换为数字信号传送至计算机12。

所述计算机12内安装有控制系统软件和图像处理软件。所述图像处理软件包括氧成像诊断系统。计算机12通过控制系统软件来控制同步控制系统9；计算机10通过数据采集卡11获得氧成像算法所需的各个波长近红外光的数据图像；然后，各个波长近红外光的数据图像输入氧成像诊断系统得到各点的含氧值。

所述氧成像诊断系统包括数据图像采集系统、氧成像算法系统、氧值辅助分析系统。通过数据图像采集系统可以获得氧成像算法所需的各个波长近红外光的光学图像。数据图像输入氧成像算法系统进行图像合成与图像处理，之后对图像进行伪彩色处理，将黑白图像的灰度值映射成相应的彩色。氧值诊断系统为医生提供含量和氧含量分析功能并给出定量结果。

其中，光源组件1中的光动力治疗的光源取决于光敏剂的吸收波长，当它位于双波长光源760nm和850nm的区域时，光动力治疗光源和氧饱和度内窥镜的光源共同使用同一光源,即选用双波长近红外LED。以所用光敏剂的波峰在750nm为例，由于波长760nm属于光敏剂的有效吸收范围内，所以光波760nm可以同时作为光动力治疗光源。此时，光动力光源被省去，只剩下双波长光源760nm或850nm。

所述近红外高感度CCD摄像机10位于光源组件1同侧，与光源的横向距离由探测深度确定；所述近红外高感度CCD摄像机10为黑白高感度近红外CCD摄像机10，其用于摄像组织内表面的光学图像；近红外高感度CCD摄像机10采用高清摄像头。

所述单波长滤光片切换器2用来确保单一时间内只通过一种波长，实现单波长成像。

所述数据采集卡11为黑白高清图像采集卡，能够无失真地将近红外高感度CCD摄像机10 输入的视频信号采集到计算机12，保证原始图像数据的准确性。

所述数据采集卡11为即插接口，可直接把数据传输到计算机12；

本发明氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果成像装置工作时：

（1）初始化步骤，实现两种光源共焦和光源与摄像头的同步运行。提供依次相连的单波长滤光片切换器2、近红外高感度CCD摄像机10、数据采集卡11、氧成像诊断系统；

（2）通过内窥镜定位组织的目标组织，用光动力治疗光源和氧饱和度内窥镜的光源照射；

（3）扫描步骤，通过计算机的控制系统软件控制同步控制系统9。同步控制系统9控制光源组件1发射光源与黑白近红外高感度CCD摄像机10同步，当某一滤光片有光透过时，经由同步控制系统9反馈的触发信号，计算机12的控制系统软件接到同步控制系统9的触发信号后给黑白近红外高感度CCD摄像机10拍摄指令而完成自动采集过程。因此，一次采集过程可以获得多幅不同单波长的图像数据；

（4）视频采集步骤，数据采集卡11无失真地采集近红外高感度CCD摄像机10拍摄目标肿瘤组织的光学图像，并把视频信号转化为数字信号并传送到计算机12；计算机12内的图像处理软件用算法实现凸显微小血管及病灶区域；

（5）氧含量分布图和氧含量的定量计算。计算机12中的图像处理软件根据改进的朗伯特-比尔定律和吸光度加和定律独立地推导出氧含量的计算公式，氧成像诊断系统显示组织的血管分布图和定量给出局部氧含量。

上述氧饱和度内窥镜监控肿瘤光动力治疗效果方法，通过内窥镜定位组织的目标组织，近红外高感度CCD摄像机10采集该组织光学图像，提供视频图像，数据采集卡11将近红外高感度CCD摄像机10 输入的视频信号转化为数字信号并传送到计算机12，氧成像诊断系统实现对组织全深度精确成像，提高了检测的准确度。

在光动力治疗前，重复步骤（1）-（5），得到光动力治疗前目标组织的氧分布图像及对应的定量氧饱和度值；

在光动力治疗过程中，首先注射光敏剂，待光敏剂集中在目标组织后，重复步骤（1）-（5），得到光动力治疗中目标组织的氧分布图像及对应的定量氧饱和度值；

在光动力治疗结束后，重复步骤（1）-（5），得到光动力治疗后目标组织的氧分布图像及对应的定量氧饱和度值。

所述双光源切换频率与单波长滤光片切换器2的旋转频率同步，为400Hz。

所述控制系统软件和图像处理软件所用的软件均为Labview软件, 该软件界面友好，功能较全；用于数据信号的采集、血氧分布成像，图像优化、血氧饱和度计算、动态显示、定标和输出。

所述整套系统的设计结构紧凑、原理简单，直接测量氧含量，故成本低廉、信号处理能力强大。

以上所述仅为本实用新型较佳实施方案而已，并不能以此来限定本实用新型的范围。因此，凡是按本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，其特征在于，包括：光源组件、单波长滤光片切换器、光学耦合器、内窥探头组件、近红外高感度CCD摄像机、信号采集组件、计算机和同步控制系统；所述信号采集组件、控制组件与计算机依次电气连接；所述单波长滤光片切换器设置在所述光源组件的前端；所述单波长滤光片切换器上有两个圆孔,单波长滤光片切换器在单一时间内只通过一种波长，实现单波长成像；

所述内窥探头组件包括内窥探头，所述内窥探头包括一束传输光源的光纤和多束收集散射光的光纤；内窥探头的最外围是起保护作用的导管；

所述光学耦合器安装于单波长滤光片切换器和内窥探头组件之间；光源组件发出双波长近红外光从单波长滤光片切换器出射，经光学耦合器进入传输光源的光纤，然后经传输光源的光纤的输出端扫描定位目标组织，目标组织激发的散射光由多束收集散射光的光纤收集；

同步控制系统与光源组件中的光源和近红外高感度CCD摄像机用导线或数据线相连；同时，同步控制系统与计算机相连；所述的多束收集散射光的光纤通过光学耦合器与近红外高感度CCD摄像机相连；所述近红外高感度CCD摄像机与数据采集卡电气相连，所述数据采集卡与计算机连接。

2.根据权利要求1所述氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，其特征在于，所述计算机内安装有控制系统软件和图像处理软件；所述图像处理软件包括氧成像诊断系统；所述氧成像诊断系统包括数据图像采集系统、氧成像算法系统、氧值辅助分析系统。

3.根据权利要求1所述氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，其特征在于，所述双波长近红外光光源和光动力治疗光源共焦；所述双波长近红外光分别为760nm和850nm的激光束；所述光动力治疗光源为光敏剂所吸收的波长，若选用吸收峰位于760nm 和850nm之间的光敏剂，光动力治疗光源和氧饱和度内窥镜的光源共同使用同一光源。

4.根据权利要求3所述氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，其特征在于，所述光源组件中的光源均为LED光源。

5.根据权利要求1所述氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，其特征在于，所述单波长滤光片切换器的两个圆孔，一个为760nm波长通过的窗口、一个为850nm波长通过的窗口；确保某一时刻只有一种单波长照射到样品上，照射的持续时间和切换时间由控制系统控制。

6.根据权利要求1所述氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，其特征在于，所述同步控制系统由单片机和继电器组成，单片机控制继电器，继电器控制光源组件发射光源的持续时间和切换顺序，同时单片机控制探头组件，控制近红外高感度CCD摄像机能同步拍摄到每一次单波长激发的散射光。

7.根据权利要求1所述氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，其特征在于，所述传输光源的光纤的输出端为球形扩展尖端。

8.根据权利要求1所述氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，其特征在于，所述内窥探头组件还包括探头保护装置，探头保护装置安装于内窥探头的前端。

9.根据权利要求1所述氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，其特征在于，所述光源和CCD置于同侧，两者之间的距离取决于聚焦深度。

10.根据权利要求2所述氧饱和度内窥镜监控光动力治疗效果的装置，其特征在于，所述采集系统和成像系统所用的软件均为Labview软件；所述成像系统是基于计算机平台，在Labview软件用氧成像算法生成图像和完成氧饱和度的定量分析。

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