具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统 |
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| 申请号 | CN201710219692.2 | 申请日 | 2017-04-06 | 公开(公告)号 | CN107050657A | 公开(公告)日 | 2017-08-18 |
| 申请人 | 中国人民解放军总医院; | 发明人 | 邵永红; 顾瑛; | ||||
| 摘要 | 本 发明 适用于 光动 力 治疗 技术领域，提供了一种具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统，一方面， 电子 内镜中的电子CCD或CMOS光学系统在接收照明光的同时，阻挡反射或散射回来的治疗激光，从而可实现组织图像可视；另一方面，治疗激光和指示光通过 耦合器 耦合并由输出光纤经由电子内镜共同输出至人体病变组织，由于所述指示光和所述治疗激光的发光区相同，可通过反射或散射的指示光形成的指示光斑确定治疗光斑 位置 ，从而通过识别指示光斑边界实时显示治疗光斑边界，为医生提供一幅具有治疗光斑边界的组织图像；本发明提供的光动力治疗系统实现了光动力治疗过程中图像逼真可视，并使医生能准确看见治疗光斑与病变组织的位置关系。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统，其特征在于，所述光动力治疗系统包括：光动力治疗激光系统、光复用模块和电子内镜系统； |
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| 说明书全文 | 具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统技术领域[0001] 本发明属于光动力治疗技术领域，尤其涉及一种具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统。 背景技术[0002] 关于癌症，目前的治疗方法中，若采取手术治疗，由于手术需开胸，会对患者机体有较大的创伤；若采取放化疗治疗方法，由于放化疗全身毒副作用强，会降低机体正常免疫功能，患者治疗后生活质量差，且远期生存率尚不理想。面对恶性肿瘤的治疗现状，迫切需要发展对机体创伤小、毒副作用小的靶向治疗新技术。 [0003] 光动力治疗(Photodynamic therapy，PDT)是一种符合21世纪肿瘤治疗发展方向(靶向、局部、个体化)的新技术，具有靶向性、局部治疗、个性化治疗等优点，与手术、化疗、放疗并列为肿瘤治疗的四种主要方法，已成功应用于多种内窥镜下的肿瘤治疗。但是，光动力治疗光源为610-650nm波段激光，输出功率较高，致使内窥镜CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)饱和，显示屏呈亮白一片。在整个治疗过程中医生处于盲视状态，无法直观看见组织图像和治疗光纤的光斑在腔道内的位置，并且无法实时判断病灶反应，这是目前所有电子内窥镜下PDT面临的共性问题；从而大大降低了治疗的准确性和安全性，增加了手术风险，也增加了研究量效关系和剂量优化的难度。 发明内容[0004] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统，旨在解决由于光动力治疗光源输出功率较高，致使显示屏呈亮白一片，从而导致医生在整个治疗过程中无法直观看见组织图像和治疗光纤的光斑在腔道内的位置，并且无法实时判断病灶反应，大大降低了治疗的准确性和安全性，增加了手术风险的问题。 [0005] 本发明提供了一种具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统，所述光动力治疗系统包括：光动力治疗激光系统、光复用模块和电子内镜系统； [0006] 所述光动力治疗激光系统包括光动力治疗激光光源和输出光纤，所述光复用模块包括指示光源和光耦合器，所述光耦合器的第一输入端与所述光动力治疗激光光源连接，第二输入端与所述指示光源连接，输出端与所述输出光纤连接；所述光耦合器用于将所述光动力治疗激光光源输出的治疗激光和所述指示光源输出的指示光耦合，并输出至所述输出光纤； [0007] 所述电子内镜系统包括电子内镜及内镜监视器，所述电子内镜包括器械通道及软质内镜端部，所述软质内镜端部的前端包括器械通道出口和照明光出口，所述输出光纤从所述器械通道入口穿入并从所述器械通道出口穿出，用于将耦合的所述治疗激光和指示光经由所述电子内镜输出至人体病变组织； [0008] 所述照明光出口用于输出照明光，所述软质内镜端部的前端还包含电子CCD或CMOS光学系统，所述电子CCD或CMOS光学系统用于截止反射或散射回来的治疗激光，并用于接收反射或散射回来的照明光和指示光，并根据所述照明光实时获取治疗过程中的组织图像数据，及根据所述指示光实时提取治疗光斑边界；所述内镜监视器用于显示包含所述治疗光斑边界的组织图像。 [0009] 进一步地，所述电子内镜系统还包括冷光源主机和摄像主机，所述电子内镜还包括数据接头，所述冷光源主机通过所述数据接头与所述电子内镜连接，用于提供照明光源，以便从所述照明光出口输出照明光；所述摄像主机与所述内镜监视器连接，且通过所述数据接头与所述电子内镜连接，用于根据所述电子CCD或CMOS光学系统获取的组织图像数据形成具有治疗光斑边界的组织图像，并对所述组织图像进行处理，并将处理后的组织图像输出至所述内镜监视器。 [0011] 进一步地，所述光动力治疗系统还包括一模式选择开关，用于切换非光动力治疗模式和光动力治疗模式；在所述非光动力治疗模式下，所述内镜监视器用于显示非光动力治疗下呈现的组织图像；在所述光动力治疗模式下，所述内镜监视器用于显示光动力治疗过程中呈现的包含治疗光斑边界的组织图像。 [0012] 进一步地，所述摄像主机还安装有图像处理软件，在非光动力治疗模式下，所述图像处理软件用于对形成的组织图像进行实时颜色校正，以使显示的组织图像无色偏；在光动力治疗模式下，所述图像处理软件用于对形成的具有治疗光斑边界的组织图像进行实时颜色校正，以使显示的组织图像无色偏并且组织图像中的治疗光斑边界高清可视。 [0013] 进一步地，在光动力治疗模式下，所述图像处理软件用于利用公式I0＝(k+1)IR对形成的组织图像进行颜色校正； [0014] 其中，IR代表从实时获取到的组织图像中提取的红色强度，I0代表标准红色强度，k＝Iloss/IR，k为特征比参数，Iloss代表缺失强度。 [0015] 进一步地，所述光动力治疗激光光源输出的治疗激光波长范围为610nm-650nm，输出功率范围为0W-3W；所述输出光纤为端面输出光纤或侧面输出光纤，所述侧面输出光纤的出光区域长度为10mm-200mm。 [0016] 进一步地，所述指示光为绿光或蓝光，所述指示光的输出波长范围为430nm-580nm，输出光谱宽度范围为0nm-50nm，输出功率范围为0mW-100mW。 [0017] 进一步地，所述滤光片对治疗激光的透过率不大于10％，电子CCD或CMOS光学系统的直径不大于5.0mm，所述CCD或CMOS的芯片尺寸≤1/4″，所述CCD或CMOS的有效像素不小于48万，所述CCD或CMOS的镜头视场角不小于100°。 [0018] 进一步地，所述软质内镜端部的材料为软性材料，其前端可弯曲；所述器械通道的直径不大于5mm。 [0019] 本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统，该系统将光谱截止技术与光复用技术引入到光动力治疗系统，使得能够利用电子内镜中的电子CCD或CMOS光学系统的光谱截止功能截止反射或散射的治疗激光，同时接收反射或散射的照明光成像，实现组织图像可视，且通过利用光复用模块中的光耦合器耦合治疗激光及指示光，并由输出光纤将耦合的治疗激光及指示光通过电子内镜输出至人体病变组织，由于耦合后的治疗激光和指示光的发光区相同，可通过反射或散射的指示光形成的指示光斑确定治疗激光的治疗位置，从而通过识别指示光斑边界实时显示治疗光斑边界，为医生实时提供具有治疗光斑边界的组织图像；实现光动力治疗过程中图像逼真可视，并使医生能直观看见组织图像和治疗光斑位置与病变组织的位置关系，避免医生凭经验的盲操作，提高治疗效果，并避免过度照射、照射不足或照射不准等问题。附图说明 [0020] 图1是本发明实施例提供的一种具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统的结构示意图； [0021] 图2是本发明实施例提供的电子内镜的结构示意图； [0022] 图3是本发明实施例提供的电子内镜的软质内镜端部的前端的结构示意图； [0023] 图4是本发明实施例提供的电子CCD或CMOS光学系统的光谱曲线示意图； [0024] 图5是本发明实施例提供的光复用模块的示意图； [0025] 图6是本发明实施例提供的光动力治疗激光系统与光复用模块的连接关系示意图； [0026] 图7是本发明实施例提供的利用电子内镜对胃部进行检测治疗的示意图； [0027] 图8a是本发明实施例提供的传统光动力治疗系统的电子内镜进行治疗激光照射前的图像； [0028] 图8b是本发明实施例提供的传统光动力治疗系统的电子内镜进行治疗激光照射的图像； [0029] 图8c是本发明实施例提供的光动力治疗系统的电子内镜进行治疗激光照射的图像。 具体实施方式[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0031] 本发明的主要实现思想为：提供一种具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统，该系统通过将光谱截止技术与光复用技术引入到光动力治疗系统，利用光谱截止技术阻止电子CCD或CMOS光学系统接收反射或散射回来的治疗激光，同时接收来自电子内镜前端照明成像光，实现组织图像可视；且通过利用光复用模块中的光耦合器耦合治疗激光及指示光，并由输出光纤将耦合的治疗激光及指示光通过电子内镜输出至人体病变组织，其中，指示光与治疗激光照射组织时的发光区相同，指示光用于指示治疗激光照射区域，组织反射或散射回来的指示光由电子CCD或CMOS光学系统接收，通过识别指示光斑边界实时显示治疗光斑边界，结合软件校正和补偿算法，实现实时显示包含治疗光斑边界的组织图像。 [0032] 下面具体介绍这种具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统，如图1和图5所示，所述光动力治疗系统包括：光动力治疗激光系统、光复用模块和电子内镜系统； [0033] 所述光动力治疗激光系统包括光动力治疗激光光源1和输出光纤2，所述光复用模块3包括光耦合器301和指示光源302，所述光动力治疗激光光源1通过光耦合器301的第一输入端3011与所述光耦合器301连接，所述指示光源302通过光耦合器301的第二输入端3012与所述光耦合器301连接，所述输出光纤2通过光耦合器301的输出端3013与所述光耦合器301连接，所述光耦合器301用于将所述光动力治疗激光光源1输出的治疗激光和所述指示光源302输出的指示光耦合，并输出至所述输出光纤2。 [0034] 具体地，所述光动力治疗激光光源1输出的治疗激光波长范围为610nm-650nm，输出功率范围为0W-3W；所述输出光纤2为端面输出光纤或侧面输出光纤，所述侧面输出光纤的出光区域长度为10mm-200mm。 [0035] 具体地，所述指示光为绿光或蓝光，所述指示光的输出波长范围为430nm-580nm，输出光谱宽度范围为0nm-50nm，输出功率范围为0mW-100mW。 [0036] 所述电子内镜系统包括电子内镜4、冷光源主机5、摄像主机6及内镜监视器7；如图2所示，所述电子内镜4包括软质内镜端部401、器械通道402、操作手柄403和数据接头404； 如图3所示，所述软质内镜端部401的前端包括照明光出口4011和器械通道出口4012，还安装有电子CCD或CMOS光学系统4013；所述输出光纤2由所述器械通道402入口穿入并从所述器械通道出口4012穿出，用于将所述治疗激光和指示光经由所述电子内镜输出至人体病变组织。 [0037] 具体地，所述器械通道402直径不大于5mm，所述软质内镜端部401的材料为软性材料，其前端可弯曲；在进行光动力治疗时，是将所述软质内镜端部401的前端导入人体，治疗激光和指示光从所述输出光纤2输出。 [0038] 具体地，所述冷光源主机5通过所述数据接头404与所述电子内镜4连接，用于提供照明光源；更具体地，所述冷光源主机5提供的照明光源从照明光入口(图中未示出)输入所述电子内镜4后，从所述照明光出口4011输出，所述照明光入口和照明光出口4011之间通过光纤传输照明光。 [0039] 具体地，本发明实施例提供的电子内镜4有两个照明光出口4011。 [0040] 进一步地，所述电子CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)光学系统4013中的CCD或CMOS安装有滤光片或所述电子CCD或CMOS光学系统镀有带阻滤光薄膜，用于截止反射或散射回来的治疗激光，所述电子CCD或CMOS光学系统4013用于接收反射或散射回来的照明光及指示光，并根据所述照明光实时获取治疗过程中的组织图像数据，及根据所述指示光实时提取治疗光斑边界；所述内镜监视器7用于显示包含所述治疗光斑边界的组织图像。 [0041] 具体地，所述滤光片对治疗激光的透过率不大于10％，电子CCD或CMOS光学系统的直径不大于5mm，所述CCD或CMOS的芯片尺寸≤1/4″，所述CCD或CMOS的有效像素不小于48万，所述CCD或CMOS的镜头视场角不小于100°。 [0042] 具体地，所述摄像主机6与所述内镜监视器7连接，且通过所述数据接头404与所述电子内镜4连接；更具体地，所述摄像主机6通过所述数据接头404与所述电子内镜4的电子CCD或CMOS光学系统4013连接；所述摄像主机6用于根据所述电子CCD或CMOS光学系统4013获取的组织图像数据形成具有治疗光斑边界的组织图像，并对所述组织图像进行处理，并将处理后的组织图像输出至所述内镜监视器7；所述内镜监视器7用于显示包含所述治疗光斑边界的组织图像。 [0043] 所述光动力治疗系统包括两种工作模式，即非光动力治疗模式和光动力治疗模式，其中，非光动力治疗模式是指不启动光动力治疗激光系统和光复用模块工作，电子内镜系统中的电子CCD或CMOS光学系统只接收组织反射或散射回来的照明光并进行成像的情况，在非光动力治疗模式下，电子内镜系统中的内镜监视器用于显示非光动力治疗下呈现的组织高清图像；光动力治疗模式是指启动光动力治疗激光系统和光复用模块工作，电子内镜系统中的电子CCD或CMOS光学系统截止反射或散射回来的治疗激光，并接收反射或散射回来的照明光和指示光来进行成像的情况；在光动力治疗模式下，电子内镜系统中的内镜监视器用于显示光动力治疗过程中呈现的包含治疗光斑边界的组织高清图像，两种模式可以通过模式选择开关切换。所述摄像主机还安装有图像处理软件，在非光动力治疗模式下，图像处理软件具有自动补偿被截止的红色的功能；在光动力治疗模式下，图像处理软件具有自动颜色补偿和光斑边界识别的功能。 [0044] 具体地，在非光动力治疗模式下，图像处理软件会根据红色光强对形成的组织图像进行颜色校正，达到显示正常电子内镜的无色偏的高清图像。校正方法包括针对红色强度乘以校正系数，或者通过标准样品归一化算法以及图像处理算法结合校准参数优化等方法。 [0045] 具体地，在光动力治疗模式下，在颜色实时校正方面，为了降低组织血色的误校正，本技术利用图像处理软件对形成的组织图像采用比参数方法进行动态校正，具体方法：通过标准色卡确定红色强度IR和缺失强度Iloss，计算特征比参数k＝Iloss/IR；定义标准红色强度I0＝IR+Iloss；则I0＝(k+1)IR。由于比参数k近似为常数，所以，该方法可以通过直接根据实时获取到的图像提取红色强度IR，进行线性变化即可完成主要颜色校正，具有简单快速特点。 [0046] 下面具体介绍这种光动力治疗系统的工作原理：电子内镜系统用于实时获取和显示组织高清图像，电子内镜4中的电子CCD或CMOS光学系统4013具有特殊的光谱截止功能，即能够阻挡反射或散射回来的治疗激光到达CCD或CMOS探测器，对治疗激光的透过率≤10％，其光谱曲线形状如图4所示，但参数不限于该曲线参数；而由于耦合后的治疗激光和指示光的发光区相同，所以即使治疗激光被截止了，也可通过反射或散射的指示光形成的指示光斑确定治疗激光的治疗位置，从而通过识别指示光斑边界实时显示治疗光斑边界。 [0047] 以上是本发明的核心工作原理，下面结合图6和图7具体介绍在光动力治疗模式下光动力治疗系统的具体工作过程，光动力治疗激光光源1输出波长为610-630nm之间的治疗激光，输出功率可以0-3W可调，光动力治疗激光光源1输出的治疗激光由光耦合器301的第一输入端3011进入光耦合器301，指示光源302输出的指示光(绿光或蓝光)经光耦合器301与治疗激光一起共路由输出端3013输出，进入输出光纤2，输出端3013与光纤连接端201连接；所述输出光纤2由器械通道402穿入并从器械通道出口4012穿出，从而使所述治疗激光和指示光经由电子内镜4输出至人体病变组织。如图7所示为利用电子内镜对胃部8进行检测治疗的示意图，电子内镜采用电子CCD或CMOS光学系统4013，所述电子CCD或CMOS光学系统4013截止反射或散射回来的治疗激光，接收反射或散射回来的照明光和指示光，并实时获取治疗过程中的组织高清图像数据，从而形成组织高清图像，所述高清图像主要包括组织信息和指示光信息，通过指示光斑确定治疗光斑位置，利用指示光强度分布实时识别出指示光斑边界，在高清图像上实时显示光斑边界伪彩曲线，以实现边界实时清晰可见，此时，指示光斑边界的伪彩曲线代表着治疗光斑边界，根据其边界可以确定治疗激光的位置，有利于提高治疗激光照射的准确性，并通过图像处理软件进行颜色校正来还原无色偏的高清图像且显示有治疗光斑边界，实现治疗过程中组织和光斑边界实时高清可视。 [0048] 如图8a-8c所示，图8a为传统光动力治疗系统的电子内镜进行治疗激光照射前的图像，图8b为传统光动力治疗系统的电子内镜进行治疗激光照射的图像，图8c为本专利提供的光动力治疗系统的电子内镜进行治疗激光照射的图像。从图中可以看出，利用本系统进行光动力治疗时，可显示包含治疗光斑边界的组织图像。 [0049] 本发明提供的一种具有组织图像和光斑边界可视功能的光动力治疗系统，在电子内镜中引入能够阻挡治疗激光到达CCD或CMOS探测器的电子CCD或CMOS光学系统，光动力治疗过程中，一方面，电子CCD或CMOS光学系统接收照明光，并阻挡反射或散射回来的所述治疗激光，使得内镜监视器可以显示组织图像；另一方面，光耦合器耦合治疗激光及指示光，并由输出光纤将耦合的治疗激光及指示光通过电子内镜输出至人体病变组织，由于所述指示光和所述治疗激光的发光区相同，通过反射或散射的指示光形成的指示光斑确定治疗光斑位置，从而通过识别指示光斑边界实时显示治疗光斑边界，实现在显示的组织图像中实时显示治疗光斑边界；为医生提供一幅具有治疗光斑边界的组织图像，实现光动力治疗过程中图像逼真可视，并使医生能直观看见组织图像和治疗光斑位置与病变组织的位置关系，避免医生凭经验的盲操作，提高治疗效果，并避免过度照射、照射不足或照射不准等问题。 |
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