TWI741355B

TWI741355B - 提升光通量的光聲複合系統

Info

Publication number: TWI741355B
Application number: TW108130934A
Authority: TW
Inventors: 葉秩光; 謝宗翰; 李夢麟
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-10-01
Also published as: TW202108109A

Abstract

本發明提供一種提升光通量的光聲複合系統以及方法，其中，該光聲複合系統主要包括一超音波裝置、一光學裝置、以及一接觸頭。該超音波裝置照射一超音波於一目標組織上，該超音波於該目標組織中產生一熱通道以增加該目標組織的光通量，以增強該光學裝置所照射於一目標點的光強度。

Description

提升光通量的光聲複合系統

本發明係提供一種提升光通量的光聲複合系統，尤指一種照射超音波提升光學治療儀器於一生物組織中的光通量的光聲複合系統。

光學治療方法目前在醫療上被普遍地應用，根據不同生物組織的特性以及欲達到的目的，選擇不同波長、能量、脈衝、或連續照射的治療光束於特定的組織部位，從而獲得治療或者美容的功效。

然而，目前使用光學進行治療通常局限於生物體的皮膚或淺層的組織，由於光(如雷射光)於組織內容易產生散射，使得光的能量無法集中傳遞，因此，若欲針對較為深入的組織，則可能需要以侵入生物體內的方式進行光學治療，否則治療的光束幾乎無法穿透過表層的組織而達到生物體內部的組織，故無法達到療效。

光透明增強劑(Optical clearing agents)係用於使上層組織脫水或透明化，藉此光能夠在不被散射的狀況下到達目標區域，此技術能夠大幅增加到達目標區域的光能量，然而，光透明增強劑可能有生物毒性或會對組織產生不可逆反應，因此不適合用於活體。

波前整形技術(Wave front shaping)係利用精密的CCD相機收集通過組織後散射的光，接著利用這些光的相位資訊調整下一次照射光的相位來達到重新將光聚焦在組織中的功能，此技術利用重新聚焦的方式能夠大幅增加到達目標區域的光能量，然而，該技術需要利用回饋機制來修正照射光，若應用於臨床實驗，不同患者或不同組織的光散射情形皆不相同，並且需要利用回饋機制來修正照射光，因此此技術無法做到即時治療的效果。

有鑑於此，目前急需一種新穎的光學治療的系統及方法，以提升治療光束於生物組織內的光通量，使得治療光束可達到較深層的目標組織，並以不侵入生物體內的方式進行有效的光學治療。

本發明鑒於上述現有之光學治療於實際使用時仍有多處缺失，因此需要一種可提升生物組織光通量的系統使得治療光束可有效的到達目標處以實現光學治療的功效。

為了達到上述目的，本發明提供一種提升光通量的光聲複合系統，主要包括：一超音波裝置，具有一超音波探頭以及一通孔，該通孔形成於該超音波探頭的一中心軸上，該超音波探頭朝該中心軸的延伸方向照射一超音波；一光學裝置，鄰接該超音波裝置，並具有一光學探頭，該光學探頭設置於該通孔處，並沿該中心軸照射一治療光束；以及一接觸頭，設置於該超音波探頭上，具有一中空管體、一填充液、以及一接觸薄膜，該填充液填充於該中空管體內，該接觸薄膜封閉該中空管體；其中，該超音波與該治療光束共焦。

於本發明一較佳實施態樣中，該超音波裝置為一高強度聚焦超音波裝置；且該高強度聚焦超音波裝置所照射的該超音波的頻率為1-10MHz、焦比(F number)為0.5-1.5。聲壓範圍為3~7MPa，其中以6~7MPa加熱效果較佳，當聲壓超過8MPa會在組織中產生空化效應(inertial cavitation)造成組織損傷，該超音波裝置的其他參數可視需求在符合治療超音波安全規範下經本領域技術人員調整，並無特別的限制。

於本發明一較佳實施態樣中，該光學裝置為一雷射裝置，該治療光束為一雷射光束。於本發明中，該雷射裝置可為光學治療領域中的任何一種雷射裝置，其所照射的該雷射光束亦可為光學治療領域中的任一種雷射光束，例如可為連續式雷射或脈衝式雷射，於本發明一較佳實施態樣中，該接觸頭的該填充液為水，然而於其他實施態樣中，該填充液可為本領域中常用的可傳導光聲的液體，並無特別的限制。該接觸頭的中空管體的長度相同於該超音波的焦距，故該超音波可聚焦於與該接觸薄膜接觸的組織表面上。該接觸薄膜為本領域中常用的薄膜，只要是有良好的光聲穿透性，且與皮膚接觸不會造成不適或過敏的薄膜皆可使用，並無特別的限制。

本發明之另一目的係提供一種提升生物組織中光通量的方法，藉以提升光學治療時的治療效果。該提升生物組織中光通量的方法，包括以下步驟：(1)提供一光聲複合系統，該光聲複合系統包括一超音波裝置，具有一超音波探頭以及一通孔，該通孔形成於該超音波探頭的一中心軸上；一光學裝置，鄰接該超音波裝置，並具有一光學探頭，該光學探頭設置於該通孔處；以及一接觸頭，設置於該超音波探頭上，包含一中空管體、一填充液、以及一接觸薄膜，該填充液填充於該中空管體內，該接觸薄膜封閉該中空管體；其中，該超音波與該治療光束共焦；(2)將該接觸頭接觸一目標組織的表面；(3)該超音波探頭朝該中心軸的延伸方向照射一超音波於該目標組織，該超音波於該目標組織中產生一熱通道；以及(4)該光學探頭自該通孔且沿該中心軸照射一治療光束於該目標組織中的一目標點；其中，該超音波增加該目標組織的光通量，藉此增加該治療光束於該目標點中的光強度。

於本發明一較佳實施態樣中，該光聲複合系統係如上文所述，故不再此贅述。

藉由本發明所提供的光聲複合系統及方法可提升治療光束於生物組織內的光通量，增加治療光束到達目標組織中的目標點的光強度，以提升光學治療的效果，如此可避免因光穿透量不足而導致光學治療效果低落，且可避免以侵入式的方法對於深層組織進行光學治療。

1000:光聲複合系統

2000:目標組織

2001:目標點

3000:光探測器

4000:示波器

5000:溫度計

1:超音波裝置

11:超音波探頭

12:通孔

2:光學裝置

21:光學探頭

3:接觸頭

31:中空管體

32:填充液

33:接觸薄膜

X:中心軸

S:超音波

L:治療光束

T:熱通道

P:仿體

圖1為本發明之光聲複合系統的示意圖。

圖2為本發明之實施例1中光聲複合系統測試方法的示意圖。

圖3為本發明之實施例1中超音波於目標組織中的加熱寬度示意圖。

圖4為本發明之實施例1中超音波於目標組織中的加熱深度示意圖。

圖5為本發明之實施例1及比較例1中，該治療光束L於該仿體P中的光通量的量測結果。

圖6為本發明實施例1中該仿體P中熱通道的溫度隨著時間的變化曲線圖之示意圖。

圖7為本發明實施例1及比較例1中，隨著照射超音波S的時間，治療光束L於仿體內的光通量變化量。

圖8為本發明實施例2中，光聲訊號的量測結果。

圖9為本發明實施例2中，光聲訊號的量測結果。

請參考圖1，其係繪示本發明之提升光通量的光聲複合系統1000，該光聲複合系統1000主要包括一超音波裝置1、一光學裝置2、以及一接觸頭3。

其中，該超音波裝置1具有一超音波探頭11以及一通孔12，該通孔12形成於該超音波探頭11的一中心軸X上，而該超音波探頭11朝該中心軸X的延伸方向照射一超音波S。

該光學裝置2鄰接該超音波裝置1，並具有一光學探頭21，該光學探頭21穿設於該通孔12中，並沿該中心軸X照射一治療光束L。於其他實施態樣中，該光學探頭21可相鄰於該通孔12而設置，並未限定必須穿射該通孔12，只要其所照射的治療光束L可通過該通孔12並沿著該中心軸X照射即可。該接觸頭3設置於該超音波探頭11上，且具有一中空管體31、一填充液32、以及一接觸薄膜33，該填充液32填充於該中空管體31中，該接觸薄膜33設置於該中空管體31的開口以封閉該中空管體31。於本實施例中，該中空管體31的長度相當於該超音波S的焦距，使得該超音波S可通過該接觸頭3並照射於一目標組織2000。該接觸頭3係用於接觸一目標組織2000的表面，其中該填充液32為水，而該接觸薄膜33為PE薄膜。然而於其他實施態樣中，該填充液32可為本領域中任何一種可傳導光聲的液體，並無特別的限制，而該接觸薄膜33可為本領域中任何一種可傳導光聲的材料所構成，亦無特別的限制。

該超音波裝置1照射該目標組織2000，於該目標組織2000中形成一熱通道T，由於溫度的升高，該熱通道T可降低目標組織的光學散射系數，因此照射該目標組織2000的治療光束L在目標組織2000中的散射會被抑制，從而提高治療光束L到達目標點2001的能量。該熱通道T於組織中的寬度以及深度可藉由該超音波裝置1的焦比(F number)調整，而藉由調整焦比的數值，該超音波裝置1所產生的超音波S為非點狀而成線型的聚焦區。

[實施例1]

本實施例係將光聲複合系統1000照射於一仿體P以進行仿體穿透實驗，其實驗架構示意圖係如圖2所繪示。其中，該仿體P係混合1%乳脂肪(20%-intralipid)以及1.5%瓊脂膠(agarose)所製備而成，並放入32℃的水浴槽中以仿照生物體組織的溫度。

本實施例的光聲複合系統1000中的該超音波裝置1為高強度聚焦超音波裝置，其所照射的超音波S頻率為1.5MHz，其聲壓為7 MPa，脈衝重複頻率(PRF)為100Hz，波數(C)為7500，焦距為45mm，焦比(f number)為0.67。而該光學裝置2的參數為633nm He-Ne紅光連續式雷射。該接觸頭3的中空管體31的長度為45mm，相當於該超音波裝置1的焦距。

首先，將該光聲複合系統1000的接觸頭3置於該仿體P表面，並以其接觸薄膜33與該仿體P表面接觸，接著開啟1.5MHz的高強度聚焦超音波裝置以照射該超音波60秒，使的該仿體P加熱到42℃(使用溫度計5000量測)，同時，該超音波裝置1照射該仿體P，並使用光探測器3000接收該治療光束，並通過示波器4000量測雷射能量，之後關閉40秒使得該仿體P的溫度下降至32℃。此外，本實施例更包括一未使用高強度聚焦超音波裝置加熱該仿體P的情況下照射治療光束的比較例1。

該超音波裝置1對於該仿體P的加熱效果係如圖3、圖4所示，而圖5係繪示實施例1及比較例1中，該治療光束L於該仿體P中的光通量的量測結果。此外，圖6繪示了該仿體P中熱通道的溫度隨著時間的變化曲線圖，圖7則是比較了實施例1及比較例1中，隨著照射超音波S的時間，治療光束L於仿體內的光通量變化量。

由量測結果可以得知，該高強度聚焦超音波裝置以照射該超音波於仿體P的60秒內，仿體P的溫度升高，並形成一橢圓形的熱通道，而該治療光束L的光通量相對比較例的光通量有顯著的提升。

[實施例2]

於實施例2中，該超音波裝置1與實施例1同為高強度聚焦超音波裝置，且其參數亦與實施例1相同，使用的仿體亦相同，故不在此贅述。而該光學裝置2的參數為532nm Nd：YAG綠光脈衝雷射。

首先，將該光聲複合系統1000的接觸頭3置於該仿體P表面，並以其接觸薄膜33與該仿體P表面接觸，接著開啟1.5MHz的高強度聚焦超音波裝置以照射該超音波60秒，使的該仿體P加熱到42℃(使用溫度計量5000測)，同時，該超音波裝置1照射該仿體P，並照射放置於仿體P後方的頭髮，以產生一光生訊號，再利用25MHz探頭接收光聲訊號進行分析，之後關閉40秒使得該仿體P的溫度下降至32℃。

本實施例所量測的光聲訊號係如圖8及圖9所示，量測的光聲訊號的結果顯示，當該超音波裝置1加熱該仿體P使得該仿體P的溫度上升時，於偵測的光聲訊號的強度則隨之上升，也就是說，由於超音波裝置1於該仿體P內形成一熱通道使得通過該熱通道的該治療光束L的光通量有顯著的提升。

藉由以上實施例1及實施例2可證實，本案藉由照射超音波於目標組織，並於目標組織中形成一熱通道，可減少治療光束在目標組織中的散射，以達到提高治療光束於目標組織中的光通量，提升到達目標點中的能量。

上述實施例僅用來例舉本發明的實施態樣，以及闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬於本發明所主張的範圍，本發明的權利保護範圍應以申請專利範圍為主。