光敏剂空间分布定量检测系统及其工作方法

1.本发明涉及光电检测的技术领域，尤其涉及一种光敏剂空间分布定量检测系统，以及这种光敏剂空间分布定量检测系统的工作方法。


背景技术：

2.光动力疗法(photodynamic therapy，pdt)是临床上的一种新型肿瘤微创治疗方法，具有非侵入性、高选择性、创伤小等优势，在消除病灶的同时，能保留器官功能，目前在肿瘤及癌前病变治疗上展现了良好的治疗效果。pdt的治疗过程主要包括：通过静脉注射或局部涂敷的方式对患者给予光敏剂，病变组织处富集光敏剂后，采用特定波长的光对其进行照射，进而产生细胞毒性的单线态氧以杀死肿瘤细胞。通过定量测量光敏剂的在体浓度分布，不仅可用于优化给药-照光时间间隔，使光敏剂在靶组织与周围正常组织之间形成最大浓度差，以此作为选择pdt治疗时间的依据，提升pdt治疗效果，还可最大限度地减少pdt对周围正常组织的毒副作用。
3.光敏剂浓度定量通常采用激光诱导荧光光谱检测技术，通过建立光敏剂浓度与荧光强度的定量关系曲线，实现光敏剂浓度的在体定量检测。在生物组织中，荧光强度与内源性荧光、光敏剂浓度、组织光学特性相关，内源性荧光强度可以预先测量并扣除，因此，还需要考虑组织光学特性对激发光和发射荧光的影响，建立荧光强度、组织光学特性和光敏剂浓度三者之间的定量关系模型，以实现对光敏剂浓度的定量检测。然而，现有的光敏剂定量方法，仅能够初步获得光敏剂浓度，无法确定光敏剂所分布的区域是否为病变区域，因此，亟需一种能够在体同步获取病变区域，并定量检测光敏剂分布的新方法。


技术实现要素：

4.为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种光敏剂空间分布定量检测系统，其能够解决光动力疗法中定量病变及其周围正常组织中光敏剂空间分布的难题，提高了光动力疗法治疗的安全性和有效性。
5.本发明的技术方案是：这种光敏剂空间分布定量检测系统，其包括：
6.荧光检测模块，所述荧光检测模块包括：405nm激光器(3)、波分复用器(4)、光电倍增管(5)、带通滤光片(6)、二向色镜(7)、中性密度滤光片(8)、物镜(9)、双包层光纤耦合器(10)、手持式探头(11)，所述手持式探头包括：聚焦镜头组(12)、二维扫描振镜(13)，所述荧光检测模块用于获取光敏剂的荧光强度和405nm激发光的反射信号强度；
7.oct模块(1)，所述oct模块包括：800nm宽谱激光器(14)、linear-k光谱仪(15)、聚焦透镜(16)、宽带光纤耦合器(17)、偏振控制器(18)、棱镜对(19)、反射镜(20)，所述oct模块用于获取组织微结构和计算荧光波段的组织光学特性参数；
8.信息采集处理模块(2)，所述信息采集处理模块用于采集并处理oct模块和荧光检测模块所返回的信息；
9.405nm激光器和800nm宽谱激光器发出激光，经波分复用器合束、并经双包层光纤
耦合器传输至二维扫描振镜，二维扫描振镜将两种激光反射至聚焦镜头组，并照射至病灶；800nm激光照射病灶后产生oct信号，405nm激光照射病灶后激发出荧光，oct信号、荧光以及405nm激光的反射信号经原光路返回至双包层光纤耦合器；
10.oct信号经波分复用器返回至linear-k光谱仪进行检测，并传输至信息采集处理模块进行处理；荧光和405nm激光的反射信号分别经二向色镜分光、滤光片滤光到达光电倍增管，并传输至信息采集处理模块进行处理；处理后的信息用于建立组织光学特性、荧光强度和光敏剂浓度的定量关系模型，以完成光敏剂浓度定量。
11.本发明通过405nm激光器和800nm宽谱激光器发出激光，经波分复用器合束、并经双包层光纤耦合器传输至二维扫描振镜，二维扫描振镜将两种激光反射至聚焦镜头组，并照射至病灶；800nm激光照射病灶后，病灶可产生oct信号，405nm激光照射病灶后，病灶被激发出荧光，oct信号、荧光以及405nm激光的反射信号经原光路返回至双包层光纤耦合器；oct信号经波分复用器返回至linear-k光谱仪进行检测，并传输至信息采集处理模块进行处理；荧光和405nm激光的反射信号分别经二向色镜分光、滤光片滤光，到达光电倍增管，并传输至信息采集处理模块进行处理；处理后的信息用于建立组织光学特性、荧光强度和光敏剂浓度的定量关系模型，以完成光敏剂浓度定量；从而能够解决光动力疗法中定量病变及其周围正常组织中光敏剂空间分布的难题，并提高了光动力疗法治疗的安全性和有效性。
12.还提供了一种光敏剂空间分布定量检测系统的工作方法，其包括以下步骤：
13.(1)通过局部涂敷或者静脉注射给予患者光敏剂；
14.(2)800nm宽谱激光器发出800nm激光，405nm激光器发出405nm激发光，800nm激光和405nm激光经波分复用器合束后到达双包层光纤耦合器，双包层光纤耦合器将800nm激光和405nm激光传输至二维扫描振镜，二维扫描振镜将800nm激光和405nm激光反射至聚焦镜头组并照射至病灶组织中，组织中的光敏剂被激发出荧光；
15.(3)oct信号、荧光及405nm激发光的反射信号经原光路返回至双包层光纤耦合器，oct信号经波分复用器返回至linear-k光谱仪，荧光和激发光的反射信号经物镜到达二向色镜，经二向色镜分光后分别进入两条光路进行检测，激发光的反射信号经中性密度滤光片进入光电倍增管，荧光经过带通滤光片进入光电倍增管；
16.(4)oct信号、荧光及激发光反射信号分别被信息采集处理模块采集，信息采集处理模块对收集到的oct信号、荧光及激发光反射信号进行处理；
17.(5)oct信号用于组织光学特性参数的计算，结合荧光强度和激发光反射信号完成荧光强度的校正；
18.(6)构建不同散射和吸收的组织光学仿体，建立荧光强度和光敏剂浓度的定量关系曲线；
19.(7)根据步骤(6)中的关系曲线，定量特定荧光强度的光敏剂浓度。
附图说明
20.图1示出了根据本发明的光敏剂空间分布定量检测系统的结构示意图。
21.图2示出了根据本发明的光敏剂空间分布定量检测系统的手持式探头示意图。
22.图3示出了根据本发明的光敏剂空间分布定量检测系统的oct模块示意图。
23.图4示出了根据本发明的光敏剂空间分布定量检测系统的工作方法示意图。
24.图5示出了根据本发明的光敏剂空间分布定量检测系统的工作方法的一个具体实施例的示意图。
具体实施方式
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
26.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
27.如图1-3所示，这种光敏剂空间分布定量检测系统，其包括：
28.荧光检测模块，所述荧光检测模块包括：405nm激光器3、波分复用器4、光电倍增管5、带通滤光片6、二向色镜7、中性密度滤光片8、物镜9、双包层光纤耦合器10、手持式探头11，所述手持式探头包括：聚焦镜头组12、二维扫描振镜13，所述荧光检测模块用于获取光敏剂的荧光强度和405nm激发光的反射信号强度；
29.oct模块(1)，所述oct模块包括：800nm宽谱激光器14、linear-k光谱仪15、聚焦透镜16、宽带光纤耦合器17、偏振控制器18、棱镜对19、反射镜20，所述oct模块用于获取组织微结构和计算荧光波段的组织光学特性参数；
30.信息采集处理模块2，所述信息采集处理模块用于采集并处理oct模块和荧光检测模块所返回的信息；
31.405nm激光器和800nm宽谱激光器发出激光，经波分复用器合束、并经双包层光纤耦合器传输至二维扫描振镜，二维扫描振镜将两种激光反射至聚焦镜头组，并照射至病灶21；800nm激光照射病灶后产生oct信号，405nm激光照射病灶后激发出荧光，oct信号、荧光以及405nm激光的反射信号经原光路返回至双包层光纤耦合器；oct信号经波分复用器返回至linear-k光谱仪进行检测，并传输至信息采集处理模块进行处理；荧光和405nm激光的反射信号分别经二向色镜分光、滤光片滤光到达光电倍增管，并传输至信息采集处理模块进行处理；处理后的信息用于建立组织光学特性、荧光强度和光敏剂浓度的定量关系模型，以完成光敏剂浓度定量。
32.本发明通过405nm激光器和800nm宽谱激光器发出激光，经波分复用器合束、并经双包层光纤耦合器传输至二维扫描振镜，二维扫描振镜将两种激光反射至聚焦镜头组，并照射至病灶；800nm激光照射病灶后，病灶可产生oct信号，405nm激光照射病灶后，病灶被激发出荧光，oct信号、荧光以及405nm激光的反射信号经原光路返回至双包层光纤耦合器；oct信号经波分复用器返回至linear-k光谱仪进行检测，并传输至信息采集处理模块进行处理；荧光和405nm激光的反射信号分别经二向色镜分光、滤光片滤光，到达光电倍增管，并传输至信息采集处理模块进行处理；处理后的信息用于建立组织光学特性、荧光强度和光
敏剂浓度的定量关系模型，以完成光敏剂浓度定量；从而能够解决光动力疗法中定量病变及其周围正常组织中光敏剂空间分布的难题，并提高了光动力疗法治疗的安全性和有效性。
33.优选地，所述oct模块扫描组织特定深度的一个截面后，获得该组织截面的二维结构信息，截面堆叠在一起获得组织微结构的三维信息，由此确定病灶分布；同时，oct模块获取组织光学特性参数，该参数经计算后进一步确定病灶位置。
34.优选地，所述800nm宽谱激光器发射中心波长为800nm、带宽为200nm的宽谱激光。
35.优选地，所述405nm激光器作为荧光激发光源，发出405nm激发光，405nm激发光经波分复用器、双包层光纤耦合器，并经二维扫描振镜反射至聚焦镜头组并到达病灶，病灶处的光敏剂被405nm激光激发后的荧光信号，以及405nm激发光的反射信号经原光路返回至双包层光纤耦合器，通过物镜并经二向色镜分光后，分别进入两条光路进行检测，其中一路经中性密度滤光片进入光电倍增管，以进行405nm激发光的反射信号检测，另一路经过带通滤光片进入光电倍增管，以进行光敏剂荧光检测。
36.优选地，所述双包层光纤耦合器为双包层光纤设计，纤芯用于激发光的传输，内包层用于光敏剂荧光的激发和收集，同时保证荧光和oct激光的成像。
37.如图4所示，还提供了一种光敏剂空间分布定量检测系统的工作方法，其包括以下步骤：
38.(1)通过局部涂敷或者静脉注射给予患者光敏剂；
39.(2)800nm宽谱激光器发出800nm激光，405nm激光器发出405nm激发光，800nm激光和405nm激光经波分复用器合束后到达双包层光纤耦合器，双包层光纤耦合器将800nm激光和405nm激光传输至二维扫描振镜，二维扫描振镜将800nm激光和405nm激光反射至聚焦镜头组并照射至病灶组织中，组织中的光敏剂被激发出荧光；
40.(3)oct信号、荧光及405nm激发光的反射信号经原光路返回至双包层光纤耦合器，oct信号经波分复用器返回至linear-k光谱仪，荧光和激发光的反射信号经物镜到达二向色镜，经二向色镜分光后分别进入两条光路进行检测，激发光的反射信号经中性密度滤光片进入光电倍增管，荧光经过带通滤光片进入光电倍增管；
41.(4)oct信号、荧光及激发光反射信号分别被信息采集处理模块采集，信息采集处理模块对收集到的oct信号、荧光及激发光反射信号进行处理；
42.(5)oct信号用于组织光学特性参数的计算，结合荧光强度和激发光反射信号完成荧光强度的校正；
43.(6)构建不同散射和吸收的组织光学仿体，建立荧光强度和光敏剂浓度的定量关系曲线；
44.(7)根据步骤(6)中的关系曲线，定量特定荧光强度的光敏剂浓度。
45.优选地，所述步骤(5)中，使用oct信号进行组织光学特性参数的计算时，采用的方法为基于oct图像的分析算法，获得oct所测的信号与探测深度的关系，在特定深度上，获取生物组织仿体和标准组织仿体的平均oct强度信号后，求得生物组织样品oct信号与标准组织仿体oct信号的商，进行转换后，得到生物组织光学特性参数。
46.优选地，所述步骤(5)中，荧光强度校正方法为：基于信息采集处理模块所获取的荧光强度、405nm激发波长的反射信号和基于oct的组织光学特性参数，对原始荧光强度进
行校正。
47.优选地，所述步骤(6)中，荧光检测模块所获得的荧光信号被定量为光敏剂的浓度信息，荧光检测模块测得光敏剂浓度的组织仿体的荧光信号，通过建立光敏剂浓度与荧光强度的定量关系曲线，并扣除组织光学特性和内源性荧光的影响，实现光敏剂浓度在体定量检测。
48.优选地，使用oct信号计算组织光学特性参数时，所使用的具体计算方法为公式(1)：
[0049][0050]
其中，ib(z)和i
p
(z)分别表示待测组织和组织光学仿体在特定深度z上的平均oct信号强度，c为与深度无关的常数，μ
t_b
和μ
t_p
分别表示待测组织和组织光学仿体的组织光学特性参数；
[0051]
在进行荧光强度的校正时，所使用的具体方法是：通过荧光检测模块和oct模块获取到原始荧光强度、405nm激发光的反射信号和oct信号，并根据oct信号计算得到组织光学特性参数后，根据公式(2)校正荧光强度：
[0052][0053]
其中，f
after
(λ)为校正后的荧光强度，f
before
(λ)为原始荧光强度，r
x
(λ)为405nm激发光的反射信号，α1和α2为经验系数。
[0054]
以下详细说明本发明的具体实施例。
[0055]
实施例1：病灶组织为宫颈黏膜组织
[0056]
如图2所示，本发明的工作过程为：
[0057]
(1)将光敏剂预先通过局部涂敷的方式在宫颈口位置敷药4小时；
[0058]
(2)启动oct模块，其成像光源即800nm宽谱激光器，发出800nm激光；同时，启动405nm激光器，发出405nm激光；800nm激光和405nm激光经波分复用器合束后到达双包层光纤耦合器；调整二维扫描振镜的旋转角度，使得两类激光能反射至聚焦镜头组；两激光经聚焦镜头组聚焦后照射至宫颈黏膜组织；
[0059]
(3)宫颈黏膜处的光敏剂经405nm激光照射后发出荧光，800nm激光照射病灶后产生oct信号；
[0060]
(4)oct信号、荧光和405nm激光的反射信号经原光路返回至双包层光纤耦合器；oct信号经波分复用器返回至linear-k光谱仪，反射信号和荧光经物镜被放大后传输至二向色镜，经二向色镜分光后分别进入两条光路进行检测，激发光的反射信号经中性密度滤光片进入光电倍增管，荧光经过带通滤光片进入光电倍增管；
[0061]
(5)光电倍增管和oct模块所获取的信息被传输至信号采集处理模块进行处理，405nm激光的反射信号和oct信号经计算得组织光学特性参数，结合荧光信号完成荧光强度的定量；
[0062]
(6)构建针对宫颈组织光学特性的不同散射和吸收的组织光学仿体，建立荧光强度和光敏剂浓度的定量关系曲线；
[0063]
(7)结合步骤(6)中的定量关系曲线，完成宫颈黏膜组织的光敏剂浓度定量。
[0064]
实施例2：病灶组织为口腔黏膜组织
[0065]
本发明的工作过程为：
[0066]
(1)将光敏剂预先通过静脉注射入体内48小时后；
[0067]
(2)启动oct模块，其成像光源即800nm宽谱激光器，发出800nm激光；同时，启动405nm激光器，发出405nm激光；800nm激光和405nm激光经波分复用器合束后到达双包层光纤耦合器；调整二维扫描振镜的旋转角度，使得两类激光能反射至聚焦镜头组；两激光经聚焦镜头组聚焦后照射至口腔黏膜组织；
[0068]
(3)口腔黏膜处的光敏剂经405nm激光照射后发出荧光，800nm激光照射病灶后产生oct信号；
[0069]
(4)oct信号、荧光和405nm激光的反射信号经原光路返回至双包层光纤耦合器；oct信号经波分复用器返回至linear-k光谱仪，反射信号和荧光经物镜被放大后传输至二向色镜，经二向色镜分光后分别进入两条光路进行检测，激发光的反射信号经中性密度滤光片进入光电倍增管，荧光经过带通滤光片进入光电倍增管；
[0070]
(5)光电倍增管和oct模块所获取的信息被传输至信号采集处理模块进行处理，405nm激光的反射信号和oct信号经计算得组织光学特性参数，结合荧光信号完成荧光强度的定量；
[0071]
(6)构建针对口腔组织光学特性的不同散射和吸收的组织光学仿体，建立荧光强度和光敏剂浓度的定量关系曲线；
[0072]
(7)结合步骤(6)中的定量关系曲线，完成口腔黏膜组织的光敏剂浓度定量。
[0073]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。