TWI829613B - 提高光穿透性的裝置及其方法 - Google Patents
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Abstract
一種提高光穿透性的裝置及其方法，應用於人體的組織進行生醫光電技術，在該雷射光穿透至人體內部的組織進行生醫光電技術時，透過一高強度聚焦超音波(High intensity focused ultrasound, HIFU)探頭產生的超音波聚焦形成一聲渦旋結構(Acoustic vortex)位於上述組織中該雷射光前進路徑的周圍，使該雷射光穿過該聲渦旋結構中央無聲渦作用區。通過該聲渦旋結構在該雷射光前進的路徑上使其周圍的組織形成虛擬光波導，增加該雷射光通過該聲渦旋結構的光通量，提高該雷射光的光穿透性。
Description
本發明有關於一種光學技術應用於生物醫學領域，特別是關於利用聲渦旋光導來提高應用於人體的組織進行生醫光電技術的光穿透性。
生醫光電(Biophotonics)的目標在於利用光電科技偵測、造影與操控生物反應和材料，及包括用於上述目的的光電技術的開發和應用。此乃基於光可以通過光與物質交互作用過程 (例如反射、散射、吸收和發射) 與生物體相互作用的原理。雖然「生醫光電」一詞可能是近幾十年創造出來的，但它可以追溯到十六世紀，當時光學顯微鏡的發明是為了使生物組織可視化。如今，隨著 2014 年諾貝爾化學獎獲得認可的超分辨率螢光顯微鏡的出現，能夠以低至10nm的超高空間分辨率來探索細胞和分子層次的結構、功能與作用機制，提供利用光電技術發現生命科學的新方法。而在醫學領域應用上，則可用來研究組織到人體，從微觀到巨觀的尺度，以非侵入性的方式進行感測、篩檢、診斷及治療疾病，因此通過生醫光電技術的研究和進步可徹底改變診斷和治療方法，以提高生活品質，促進更好的醫療保健。
光學技術廣泛應用於生物醫學領域，以光與組織的交互作用的熱效應為例，光被組織吸收轉為熱能，目標組織對光的響應取決於特定組織中溫度和水含量的增加程度。低強度雷射和發光二極體已被皮膚科、牙科和外科醫生廣泛地運用於各個方面。這些光源功率較低，可產生生物刺激(即通過雷射光刺激活細胞或生物的過程)。這過程不產生會破壞生物組織的熱量，而是通過深入組織而促進治療作用，使光化學作用得以發展。
然而，目標組織周邊的組織(例如脂肪)強散射性質限制了光在組織中的穿透深度，限制了光學技術在臨床應用的發展。
本發明的目的在於提供一種提高光穿透性的裝置及其方法，其是通過使用龍捲風形超音波(即聲渦旋)，來形成虛擬光波導以增加光的穿透性，提高光在組織臨床應用的應用面。
為了達成上述目的，本發明提供一種提高光穿透性的裝置，應用於人體的組織進行生醫光電技術，其包括：一雷射源，其發射一雷射光，該雷射光穿透至人體內部的組織進行生醫光電技術。一高強度聚焦超音波(High intensity focused ultrasound, HIFU)探頭，其設置於上述人體的體表上，且該高強度聚焦超音波探頭產生的超音波聚焦形成一聲渦旋結構(Acoustic vortex)位於該雷射光前進路徑的周圍，使該雷射光穿過該聲渦旋結構中央無聲渦作用區。通過該聲渦旋結構在該雷射光前進的路徑上使其周圍的組織形成虛擬光波導，增加該雷射光通過該聲渦旋結構的光通量，提高該雷射光的光穿透性。
本發明還提供一種提高光穿透性的方法，應用於人體的組織進行生醫光電技術，其方法包括：一雷射源發射一雷射光穿透至人體內部的組織進行生醫光電技術；再透過一高強度聚焦超音波(High intensity focused ultrasound, HIFU)探頭產生的超音波聚焦形成一聲渦旋結構(Acoustic vortex)位於該雷射光前進路徑的周圍，使該雷射光穿過該聲渦旋結構(Acoustic vortex)中央無聲渦作用區。通過該聲渦旋結構在該雷射光前進的路徑上使其周圍的組織形成虛擬光波導，增加該雷射光通過該聲渦旋結構的光通量，提高該雷射光的光穿透性。
在實施上，該聲渦旋結構是由兩個以上的具有相位差的超音波所組成。該聲渦旋結構透過增加不同相位差的超音波組成，用以提高該雷射光的光通量。
在實施上，進一步透過增加該聲渦旋結構的超音波的聲壓，用以提高該雷射光的光通量。
本發明克服光在人體組織中因為強散射因素被限制的穿透深度，本案透過該聲渦旋結構(Acoustic vortex)的超音波龍捲風，通過使用龍捲風形超音波來誘導人體組織中散射介質，並導致組織中散射介質形成虛擬光波導以改善光傳輸，用以增加該雷射光的光通量，提高該雷射光的光穿透性。利用超音波的非侵入式、可控制和可定位特性，本案在人體組織的散射介質中引導光和改善光傳遞的效用可應用在光熱療法(Photothermal Therapy)、光聲成像(Photoacoustic Imaging)、光學造影(Optical Imaging)等生醫光電技術，增加臨床應用的發展。
以下將詳述本發明之各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本發明亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本發明形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。
請參照圖1，本案提高光穿透性的裝置實施示意圖。本案是一種提高光穿透性的裝置，應用於人體的組織進行生醫光電技術，其包括：一雷射源100用以發射一雷射光110，該雷射光110穿透人體的體表300而對體表內部的組織310進行生醫光電技術。一高強度聚焦超音波(High intensity focused ultrasound, HIFU)探頭200，其設置於上述人體的體表300上，且該高強度聚焦超音波探頭200產生的超音波210聚焦形成一聲渦旋結構(Acoustic vortex)220位於該雷射光110前進路徑的周圍。通過該聲渦旋結構220來誘導組織310中散射介質並導致形成虛擬光波導以增加光的穿透性，如此，在該雷射光110前進的路徑上使該聲渦旋結構220所在的組織310形成虛擬光波導，降低該雷射光110在該組織310內的散射率，增加該雷射光110的光通量，提高該雷射光110的光穿透性。
本發明克服光在人體組織中因為強散射而被限制的穿透深度，本案透過該聲渦旋結構220的超音波龍捲風，在超音波龍捲風作用下會造成該聲渦旋結構220的中央空軸區域光通量上升，而在該聲渦旋結構220未能作用的區域光通量下降。藉此，通過使用龍捲風形超音波來誘導人體組織中散射介質，並導致組織中散射介質形成虛擬光波導以改善光傳輸，用以增加該雷射光110的光通量，提高該雷射光110的光穿透性。利用超音波的非侵入式、可控制和可定位特性，本案在人體組織的散射介質中引導光和改善光傳遞的效用可應用在光熱療法、光聲成像、光學造影等生醫光電技術，增加臨床應用的發展。
在實施應用上，該聲渦旋結構220是由兩個以上數量的具有相位差的超音波210所組成，例如2通道(channels)的超音波(相位差π與2π)所組成、4 通道的超音波(相位差π/2、π、3π/2與2π)所組成、8通道的超音波(相位差π/4、2π/4、3π/4、π、5π/4、6π/4、7π/4與2π)所組成。應用上，該聲渦旋結構220透過增加不同相位差的超音波210組成，不同相位差數量干涉後會形成不同的聲渦旋結構220，隨著相位差的數量增加，光通量的提升效果也會越高。
在實施應用上，進一步透過增加該聲渦旋結構220的超音波210的聲壓，用以提高該雷射光110的光通量，在渦旋(Vortex)的波形下，光通量的提升與聲壓有正向關係。
請參閱圖2，為本案聲渦提高光穿透性的模型實驗架構示意圖。其包括上述的該雷射源100用以其發射該雷射光110，及該高強度聚焦超音波探頭200，也透過一透明水箱400裝滿水410模擬脂肪，且在水410設有一脂肪內體模(Intralipid phantom)500模擬人體內組織310。一多通道超音波產生裝置(Multi-channel ultrasonic generator)600產生高強度超音波至該高強度聚焦超音波探頭200，該脂肪內體模500置放於音波龍捲風焦點處，即該脂肪內體模500設於該聲渦旋結構220區域。一中控同步裝置(Central control synchronization device)700用以控制該多通道超音波產生裝置600(例如Verasonics的開放式多通道超音波產生器)及一CCD攝像機800拍攝與測量該雷射光110在穿透該脂肪內體模500後的光通量，再透過一電腦900紀錄該CCD攝像機800所拍攝與測量的結果，模擬該雷射光110穿透人體的體表300而對體表內部的組織310的光通量。
本實驗利用該多通道超音波產生裝置600及該高強度聚焦超音波探頭200發射不同相位差的超音波產生相消干涉並產生聲渦旋結構。在這項實驗中，該多通道超音波產生裝置600是一個1.1-MHz、128 發射通道的HIFU換能器（可分為8段不同相位差），用於產生該聲渦旋結構220作為該脂肪內體模500中的光傳播區域。該雷射光110為532nm激光穿過該聲渦旋結構220的無效區域（中間無聲渦區域），激光通量由對面的該CCD攝像機800量化。
再將渦旋(Vortex)情況下的能量變化與無聲渦旋情況（Control）和一般超音波情況（Inphase）進行可行性測試比較。
如圖3所示，可行性測試結果顯示，在4MPa 超音波的作用下，具有渦旋(Vortex)波形相對於無聲渦旋（Control）組會有15.4 %的光通量(Fluence)提升；而一般超音波波形(Inphase)反而會造成19.4%的光通量下降。
如圖4所示，針對該脂肪內體模(Intralipid phantom)500放置位置，實驗顯示，超音波210在聚焦點(150mm)的聲壓強度最強，隨著距離遠離聚焦點，光通量提高(Increase of Fluence)的強度漸弱。結果顯示，光通量提升的幅度隨著超音波作用的區域而有變化，可證明光通量的提升確實為受超音波影響。
如圖5所示，針對不同波形對光通量之增益差異測試結果顯示，針對不同數量相位差的超音波210的量測，該超音波210分為2通道(channels)(相位差π與2π)、4 通道(相位差π/2、π、3π/2與2π)、8通道(相位差π/4、2π/4、3π/4、π、5π/4、6π/4、7π/4與2π)所組成。透過不同相位差數量干涉後會形成不同的聲渦旋結構。結果顯示，隨著相位差的數量增加，光通量增幅 (Increase of Fluence)的提升效果也會越高。
如圖6所示，針對不同聲壓(Acoustic Pressure (MPa))對提高光通量的增幅(Increase of Fluence)差異測試結果顯示，針對不同聲壓的超音波210的量測。結果顯示，在渦旋(Vortex)的波形下，光通量的提升與聲壓有正向關係。相反，在一般超音波波形(Inphase)下，聲壓越高，光通量越低。
如圖7所示，針對不同仿體參數對光通量的增幅(Increase of Fluence)差異測試結果顯示，該脂肪內體模500散射係數根據置放不同濃度的脂肪乳(Concentration of Intralipid)而有所不同，可以藉以代表不同的人體組織。結果顯示，隨著該脂肪內體模500濃度的上升，光通量增幅數值會下降，但至0.01mg/mL的濃度下仍有6.2%的增益。
如圖8所示，在該脂肪內體模500是不同厚度的狀態下，結果顯示，隨著該脂肪內體模500厚度的增加，光通量(Increase of Fluence)的增益幅度確實會下降，但直至該脂肪內體模500的厚度為10mm，光通量的增幅數值仍有8.9%。
請同時參閱圖2、圖9及圖10所示。圖2的模型實驗架構是該脂肪內體模500置放於音波龍捲風焦點處，即該脂肪內體模500設置於該聲渦旋結構(Acoustic vortex)220區域的位置1(Position 1)。相同條件下，圖9的模型實驗架構是該脂肪內體模500置放於音波龍捲風焦點遠端處，即該脂肪內體模500設置於不受超音波影響區域的位置2(Position 2)。結果顯示，無論該脂肪內體模500放在什麼位置(位置1為超音波龍捲風焦點；位置2為不受超音波影響區域)都有光通量增加的效果(如圖10所示)，表示超音波龍捲風的該聲渦旋結構220只要在該雷射光110的任意光路徑位置作用就會有光通量增幅效果。
整體技術上，本發明克服光在人體組織中因為強散射被限制的穿透深度，本案透過該聲渦旋結構，通過使用龍捲風形超音波來誘導人體組織中散射介質中的折射率失配，並導致組織中散射介質形成虛擬光波導以改善光傳輸，用以增加該雷射光的光通量，提高該雷射光的光穿透性。
光通量增加的可能原因是龍捲風形的超音波束引起的折射率不匹配，該聲渦旋結構的龍捲風形超音波束改變了局部仿體(組織)密度，導致折射率增減（1~6×10
-4）以及龍捲風形的超音波束產生的氣泡牆造成的光線折射所造成。利用超音波的非侵入式、可控制和可定位特性，本案在人體組織的散射介質中引導光和改善光傳遞的效用可應用在光熱療法、光聲成像、光學造影等生醫光電技術，增加臨床應用的發展。
上述揭示的實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。
100:雷射源
110:雷射光
200:高強度聚焦超音波探頭
210:超音波
220:聲渦旋結構
300:體表
310:組織
400:透明水箱
410:水
500:脂肪內體模
600:多通道超音波產生裝置
700:中控同步裝置
800:CCD攝像機
900:電腦
[圖1]為本案提高光穿透性的裝置實施示意圖。
[圖2]為本案聲渦提高光穿透性的模型實驗架構示意圖。
[圖3]為本案聲渦提高光穿透性的可行性測試之結果。
[圖4]為本案光通量與超音波區域(深度)的結果。
[圖5]為本案不同波形對光通量的增幅結果。
[圖6]為本案不同聲壓對光通量的增幅結果。
[圖7]為本案不同濃度的仿體組織對光通量的增幅結果。
[圖8]為本案不同厚度的仿體組織對光通量的增幅結果。
[圖9]為本案模型實驗另一架構示意圖。
[圖10]為本案聲渦旋結構與仿體組織位置的對光通量的增幅結果。
100:雷射源
110:雷射光
200:高強度聚焦超音波探頭
210:超音波
220:聲渦旋結構
300:體表
310:組織
Claims (8)
- 一種提高光穿透性的裝置，應用於人體的組織進行生醫光電技術，其包括： 一雷射源，其發射一雷射光，該雷射光穿透至人體內部的組織進行生醫光電技術；及 一高強度聚焦超音波探頭，其設於上述人體的體表上，且該高強度聚焦超音波探頭產生的超音波聚焦形成一聲渦旋結構位於該雷射光前進路徑的周圍，使該雷射光穿過該聲渦旋結構中央無聲渦作用區；通過該聲渦旋結構在該雷射光前進的路徑上使其周圍的組織形成虛擬光波導，增加該雷射光通過該聲渦旋結構的光通量，提高該雷射光的光穿透性。
- 如請求項1所述之提高光穿透性的裝置，其中，該聲渦旋結構是由兩個以上的具有相位差的超音波所組成。
- 如請求項2所述之提高光穿透性的裝置，其中，該聲渦旋結構透過增加不同相位差的超音波組成，用以提高該雷射光的光通量 。
- 如請求項1所述之提高光穿透性的裝置，其中，進一步透過增加該聲渦旋結構的超音波的聲壓，用以提高該雷射光的光通量 。
- 一種提高光穿透性的方法，應用於人體的組織進行生醫光電技術，其包括： 一雷射源發射一雷射光，該雷射光穿透至人體內部的組織進行生醫光電技術；及 一高強度聚焦超音波探頭產生的超音波聚焦形成一聲渦旋結構位於該雷射光前進路徑的周圍，使該雷射光穿過該聲渦旋結構中央無聲渦作用區；通過該聲渦旋結構在該雷射光前進的路徑上使其周圍的組織形成虛擬光波導，增加該雷射光通過該聲渦旋結構的光通量，提高該雷射光的光穿透性。
- 如請求項5所述之提高光穿透性的方法，其中，該聲渦旋結構是由兩個以上的具有相位差的超音波所組成。
- 如請求項6所述之提高光穿透性的方法，其中，該聲渦旋結構透過增加不同相位差的超音波組成，用以提高該雷射光的光通量 。
- 如請求項5所述之提高光穿透性的方法，其中，進一步透過增加該聲渦旋結構的超音波的聲壓，用以提高該雷射光的光通量 。
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