具有可视化功能的光动力治疗系统的制作方法

本发明属于光动力治疗技术领域，尤其涉及一种具有可视化功能的光动力治疗系统。

背景技术：

我国是全球癌症高发区之一。世界卫生组织在今年2月3日发表了《全球癌症报告》，研究称2012年中国癌症新增病例居全球之首，近50％新增病例发生在中国。而且，食管癌、胃癌、肝癌和肺癌4大恶性肿瘤在我国的新增病例和死亡人数均居世界首位。以食管癌为例，世界卫生组织公布的资料显示，我国每年新增食管癌约26万例，发病率为16.7/10万人，死亡率为13.4/10万人，无论发病还是死亡人数均占世界半数以上。

由于尚无有效的早期无创诊断方法，80％以上患者发现时即为中晚期。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。光动力治疗(photodynamictherapy，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等疾病的治疗。

但是，光动力治疗激光光源输出功率较高，可使内窥镜ccd(charge-coupleddevice，电荷耦合元件)或cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)探测器饱和，显示屏呈亮白一片。在整个治疗过程中医生处于盲视状态，无法从显示屏直观看见组织图像，这是目前所有电子内窥镜下pdt面临的共性问题。盲视下进行光动力治疗操作难度大、技术要求高，大大降低了治疗的准确性和安全性，增加了手术风险；也增加了研究光动力治疗量效关系、治疗剂量优化的难度，限制了相关新型光敏药物、剂量实时监测调控技术等基础研究领域的发展，严重阻碍了内窥镜下光动力治疗基础研究的拓展与临床应用推广。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有可视化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，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。

本发明提供了一种具有可视化功能的光动力治疗系统，所述光动力治疗系统包括：电子内镜系统、光动力治疗激光系统和光同步模块；

所述电子内镜系统包括电子内镜和内镜监视器，所述电子内镜包括软质内镜端部，所述软质内镜端部的前端包括电子ccd或cmos光学系统；

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，所述光同步模块包括准直发射光路、斩波器、准直接收光路和触发端口，所述触发端口与所述斩波器连接，并与所述电子内镜连接，用于将所述电子ccd或cmos光学系统输出的曝光及读出时序信号传输给所述斩波器；所述准直接收光路用于将所述光动力治疗激光光源输出的治疗激光传输给所述斩波器，所述斩波器用于根据所述曝光及读出时序信号对所述治疗激光进行同步斩波调制，在电子ccd或cmos光学系统曝光阶段隔断光路或瞬时接通光路，在读出阶段持续接通光路，并将得到的同步脉冲治疗激光传输至所述准直发射光路，并从所述输出光纤输出；所述输出光纤用于将所述同步脉冲治疗激光经由所述电子内镜输出至人体病变组织，以使所述电子ccd或cmos光学系统在曝光阶段时，所述输出光纤不输出治疗激光或输出瞬时治疗激光，而在读出阶段时持续输出治疗激光，以便得到第一组织图像数据或第二组织图像数据；

所述内镜监视器用于显示由所述第一组织图像数据形成的第一组织图像，或用于显示由所述第二组织图像数据形成的第二组织图像，所述第一组织图像为不具有治疗光斑边界的组织图像，所述第二组织图像是具有治疗光斑边界的组织图像。

进一步地，所述准直接收光路包括依次连接的输入端、第一光纤及第一透镜，所述输入端与光动力治疗激光光源连接，所述第一光纤用于传输由所述输入端输入的治疗激光；所述第一透镜用于将所述治疗激光准直成平行光并输入至所述斩波器。

进一步地，所述准直发射光路包括依次连接的第二透镜、第二光纤及连接器，所述连接器与所述输出光纤连接，所述第二透镜用于将所述斩波器输出的脉冲治疗激光耦合并输出至所述第二光纤，经由所述第二光纤及所述连接器输入所述输出光纤。

进一步地，所述电子内镜还包括：操作手柄及器械通道，所述软质内镜端部的前端还包括器械通道出口；

所述输出光纤从所述器械通道的入口穿入并从所述器械通道出口穿出，以使所述同步脉冲治疗激光经由所述电子内镜输出至人体病变组织。

进一步地，所述软质内镜端部的前端还包括照明光出口，所述电子内镜系统还包括冷光源主机，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。

进一步地，所述电子内镜系统还包括摄像主机，所述摄像主机通过所述数据接头与所述电子内镜连接，所述摄像主机还与所述内镜监视器连接，用于根据所述电子内镜中的电子ccd或cmos光学系统得到的第一组织图像数据形成无治疗光斑边界的第一组织图像，或用于根据所述电子内镜中的电子ccd或cmos光学系统得到的第二组织图像数据形成具有治疗光斑边界的第二组织图像，并将所述第一组织图像或第二组织图像发送给所述内镜监视器进行显示。

进一步地，所述电子ccd或cmos光学系统的ccd或cmos在曝光阶段的曝光时间与光动力治疗激光系统的光路接通时间的重叠时间△t满足△t＝t0-t2，t0为所述电子ccd或cmos光学系统的ccd或cmos在曝光阶段的曝光时间，t2为所述光动力治疗激光系统的光路隔断时间；

其中，当△t≤0时，表示在电子ccd或cmos光学系统曝光阶段隔断光路，所述输出光纤在曝光阶段不输出治疗激光；

当0＜△t≤0.5t0时，表示在电子ccd或cmos光学系统曝光阶段的最后△t时间瞬时接通光路，所述输出光纤在曝光阶段输出瞬时治疗激光。

进一步地，所述光动力治疗激光光源输出的治疗激光的输出功率范围为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。

进一步地，所述电子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°。

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。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供了一种具有可视化功能的光动力治疗系统，该系统引入了光同步技术，将所述电子ccd或cmos光学系统输出的曝光及读出时序信号通过触发端口加载到光同步模块的斩波器，从而控制所述斩波器在电子ccd或cmos光学系统曝光阶段隔断光路或瞬时接通光路，并在读出阶段持续接通光路，从而产生同步脉冲治疗激光；若电子ccd或cmos光学系统在曝光阶段因光路隔断而没有接收到反射或散射回来的治疗激光，则可实现光动力治疗过程中组织图像可视；若在曝光阶段接收到反射或散射回来的瞬时治疗激光，则电子ccd或cmos光学系统获取的图像信息既具有治疗激光信息，又不饱和，这样不仅可为医生实时提供组织图像，而且组织图像中还实时显示治疗光斑边界，从而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

图1是本发明实施例提供的一种具有可视化功能的光动力治疗系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光同步模块的示意图；

图3是本发明实施例提供的光动力治疗激光系统与光同步模块的连接关系示意图；

图4是本发明实施例提供的电子内镜的结构示意图；

图5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；

图6a是本发明实施例提供的电子ccd或cmos光学系统的ccd或cmos芯片的曝光及读出时序信号；

图6b是本发明实施例提供的斩波器对治疗激光输出光路的阻断和接通时序信号示意图；

图6c是本发明实施例提供的治疗激光输出光路的有光输出和无光输出时序信号示意图；

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；

图8a是本发明实施例提供的电子ccd或cmos光学系统的ccd或cmos芯片的曝光及读出时序信号；

图8b是本发明实施例提供的斩波器对治疗激光输出光路的阻断和接通时序信号示意图；

图8c是本发明实施例提供的治疗激光输出光路的有光输出和无光输出时序信号示意图；

图9a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；

图9b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；

图9c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

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。

下面先介绍本发明实施例中的技术方案的实现原理，如下：

曝光及读出电子ccd或cmos光学系统包含曝光阶段及读出阶段，其中，曝光阶段是指曝光成像阶段，且显示屏出现亮白一片的情况是由于在曝光阶段治疗激光的功率高导致电子ccd或cmos光学系统中的探测器饱和。为了避免出现显示屏亮白一片的情况，可以考虑在电子ccd或cmos光学系统的曝光阶段不输出治疗激光，而为了能够利用治疗激光对人体病变组织进行治疗，则可以在读出阶段输出治疗激光，因此，可以考虑将治疗激光的输出与电子ccd或cmos光学系统的曝光阶段及读出阶段保持同步。此外，由于一个曝光阶段与一个读出阶段的周期非常短，对于医生的人眼观看来说，并不会出现组织图像闪烁的问题，本发明技术方案即是通过上述原理，在光动力治疗系统中增加光同步模块，使得不仅能够实现利用治疗激光治疗的目的，还能够实现组织图像的可视化。

此外，为了方便医生从组织图像上确定治疗光斑边界，本发明技术方案还可以考虑在电子ccd或cmos光学系统的曝光阶段输出瞬时治疗激光，在读出阶段持续输出治疗激光；由于在曝光阶段只是输出瞬时治疗激光，不会导致电子ccd或cmos光学系统中的探测器饱和，所以不会出现显示屏亮白一片的情况；这样不仅能够实现利用治疗激光治疗的目的，还能够实现组织图像中包含治疗光斑边界。

下面具体介绍这种具有可视化功能的光动力治疗系统，如图1-3所示，所述光动力治疗系统包括：光动力治疗激光系统、光同步模块和电子内镜系统；

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，所述光同步模块包括准直发射光路、斩波器304、准直接收光路及触发端口305；所述触发端口305与所述斩波器304连接，用于将电子ccd或cmos光学系统4013输出的曝光及读出时序信号传输给斩波器304；准直接收光路用于将光动力治疗激光光源1输出的治疗激光传输给斩波器304，斩波器304用于根据曝光及读出时序信号对治疗激光进行同步斩波调制，及将得到的同步脉冲治疗激光传输至准直发射光路，并从所述输出光纤2输出。

进一步地，所述准直接收光路包括依次连接的输入端301、第一光纤302及第一透镜303，输入端301与光动力治疗激光光源1连接，第一光纤302用于传输由输入端301输入的治疗激光；第一透镜303用于将治疗激光准直成平行光并输入至斩波器304。

进一步地，所述准直发射光路包括依次连接的第二透镜306、第二光纤307及连接器308，连接器308第二透镜306用于将斩波器304输出的脉冲治疗激光耦合并输出至第二光纤307，经由第二光纤307及连接器308输入所述输出光纤2，其中，所述连接器308通过光纤连接端201与所述输出光纤2连接。

具体地，所述光动力治疗激光光源1输出的治疗激光输出功率范围为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。

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；所述电子内镜4适用于532nm，630nm等多种波段的治疗激光，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，具体如图4所示；如图5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穿入并从所述器械通道出口4012穿出，用于将同步脉冲治疗激光经由所述电子内镜输出至人体病变组织。

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，同步脉冲治疗激光从所述输出光纤2输出。

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。

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。

进一步地，所述电子内镜中的电子ccd或cmos光学系统4013通过数据接头与所述光同步模块中的触发端口连接，用于将所述电子ccd或cmos光学系统4013输出的曝光及读出时序信号通过触发端口加载到斩波器，从而控制所述斩波器在电子ccd或cmos光学系统4013曝光阶段隔断光路或瞬时接通光路，在读出阶段持续接通光路，从而产生同步脉冲治疗激光。

进一步地，若斩波器304在电子ccd或cmos光学系统4013曝光阶段隔断光路，在读出阶段持续接通光路，则所述电子ccd或cmos光学系统4013在曝光阶段接收反射或散射回来的照明光，并记录第一组织图像数据，在读出阶段，有治疗激光、照明光输出至人体病变组织，然而由于在读出阶段是图像数据读出的过程，并未涉及到图像数据记录，即使治疗激光的功率大，也不会造成电子ccd或cmos光学系统4013中的电子ccd或cmos探测器饱和，且在读出阶段，将曝光阶段记录的组织图像数据传送到摄像主机形成组织图像，以得到不具有治疗光斑边界的第一组织图像；通过上述曝光阶段和读出阶段的相互交替，在利用治疗激光进行治疗的基础上，可以实现组织图像的可视化。

若斩波器304在电子ccd或cmos光学系统4013曝光阶段瞬时接通光路，在读出阶段持续接通光路，则所述电子ccd或cmos光学系统4013在曝光阶段接收反射或散射回来的照明光和瞬时治疗激光，并记录第二组织图像数据，然而由于在曝光阶段接收的瞬时治疗激光在整个曝光阶段的平均功率很低，并不足以造成电子ccd或cmos光学系统4013中的电子ccd或cmos探测器饱和；在读出阶段，有治疗激光、照明光输出至人体病变组织，而读出阶段是图像数据读出的过程，并未涉及到图像数据记录，即使治疗激光的功率大，也不会造成电子ccd或cmos光学系统4013中的电子ccd或cmos探测器饱和，且在读出阶段，将曝光阶段记录的组织图像数据传送到摄像主机形成组织图像，及根据曝光阶段接收的瞬时治疗激光实时提取治疗光斑边界，以得到具有治疗光斑边界的第二组织图像。通过上述曝光阶段和读出阶段的相互交替，在利用治疗激光进行治疗的基础上，不仅可以实现组织图像的可视化，且可得到具有治疗光斑边界的组织图像。

所述电子内镜系统还包括内镜监视器7，所述内镜监视器7用于显示无治疗光斑边界的第一组织图像，或用于显示具有治疗光斑边界的第二组织图像。

具体地，电子ccd或cmos光学系统4013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°。

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获取的第一组织图像数据生成无治疗光斑边界的第一组织图像，并将所述无治疗光斑边界的第一组织图像发送给所述内镜监视器7；或所述摄像主机6用于根据所述电子ccd或cmos光学系统4013获取的第二组织图像数据生成具有治疗光斑边界的第二组织图像，并将所述具有治疗光斑边界的第二组织图像发送给所述内镜监视器；所述内镜监视器7用于显示无治疗光斑边界的第一组织图像或用于显示具有治疗光斑边界的第二组织图像。

进一步的，在本发明实施例中，该光动力治疗系统还可以包括模式选择开关，用于切换非光动力治疗模式和光动力治疗模式，其中，非光动力治疗模式是指不启动光动力治疗激光系统及光同步模块工作，电子内镜系统中的电子ccd或cmos光学系统4013接收反射或散射回来的照明光并进行成像，仅能得到组织图像，且该组织图像没有治疗光斑边界，通常该种模式用于医生对人体病变组织进行查看。其中，光动力治疗模式是指光动力治疗激光系统及光同步模块工作，输出至人体病变组织的包含脉冲治疗激光及照明光，而在这种情况下，又包含两种情况，在能进行激光治疗的前提下，显示无治疗光斑边界的第一组织图像或显示具有治疗光斑边界的第二组织图像。

下面介绍在光动力治疗模式下存在的两种情况：显示不具有治疗光斑边界的第一组织图像或显示具有治疗光斑边界的第二组织图像。

下面先介绍在光动力治疗模式下显示无治疗光斑边界的第一组织图像的情况：这种情况下，光动力治疗激光光源和输出光纤通过光同步模块连接，利用光同步模块提供同步的脉冲治疗激光；具体地，所述光动力治疗激光光源输出的治疗激光由准直接收光路输入并准直成平行光，经斩波器的转轮进行同步斩波调制，产生同步光脉冲，再经准直发射光路进入输出光纤，并从所述输出光纤输出同步脉冲治疗激光。图6a示出了电子ccd或cmos光学系统的ccd或cmos芯片的曝光及读出时序信号，其中，高电平对应曝光阶段，低电平对应读出阶段，该时序信号通过触发端口305加载到光同步模块3,控制斩波器304的转轮同步阻断或接通光路；如图6b示出了斩波器对治疗激光输出光路的阻断和接通时序信号，其中，低电平对应斩波器的光路阻断，高电平对应斩波器的光路接通，产生同步输出光脉冲；如图6c示出了治疗激光输出光路有光输出和无光输出时序信号，其中，高电平对应有光输出，低电平对应无光输出。输出光纤2由器械通道402穿入并从器械通道出口4012穿出，从而使同步脉冲治疗激光经由电子内镜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，电子ccd或cmos光学系统接收在曝光阶段反射或散射回来的照明光，并根据所述照明光实时获取治疗过程中的第一组织图像数据，内镜监视器显示无治疗光斑边界的第一组织图像。这种ccd或cmos芯片曝光与治疗激光照射交替的工作模式，可达到光动力治疗过程中可视的效果，而且不存在滤光技术引入的色偏问题，同时，该技术对于任何波长的治疗激光都适用，不像滤光技术，针对不同的治疗激光需要更换不同光谱参数的电子ccd或cmos光学系统。

下面再介绍在光动力治疗模式下显示具有治疗光斑边界的第二组织图像的情况：这种情况下，如图8a-8c所示，为了在光动力治疗过程中组织图像可视的基础上，进一步实现治疗激光光斑边界可见，本发明提出了△t参数方法，△t＝t0-t2,t0是电子ccd或cmos光学系统的ccd或cmos芯片的曝光时间，t2是光动力治疗激光系统的光路阻断时间，△t是曝光时间与光路接通时间的重叠时间。当0.5t0≥△t>0时，表示在电子ccd或cmos光学系统曝光阶段的最后△t时间瞬时接通光路，所述输出光纤在曝光阶段输出瞬时治疗激光；ccd或cmos芯片获取的图像信息既包含治疗激光信息，又不饱和，通过控制△t的大小，可以控制每幅图像中记录的治疗激光的能量，通过治疗激光的强度分布，识别光斑照射区域，并利用伪彩显示治疗激光光斑边界线，而且可以同时显示治疗激光强度的三维曲线，用于直观显示治疗激光在组织上的强度分布，有利于控制提高治疗激光剂量，提高疗效。另外，当△t≤0时，表示在光动力治疗模式下显示无治疗光斑边界的第一组织图像的情况。

如图9a-9c所示，图9a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9b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9c为本专利提供的斩波器在曝光阶段瞬时接通光路的情况下，光动力治疗系统的电子内镜进行治疗激光照射的图像。

本发明提供的一种具有可视化功能的光动力治疗系统，若电子ccd或cmos光学系统在曝光阶段因光路隔断而没有接收到反射或散射回来的治疗激光时，可实现光动力治疗过程中组织图像可视；若在曝光阶段接收到反射或散射回来的瞬时治疗激光时，则电子ccd或cmos光学系统获取的图像信息既包含治疗激光信息，又不饱和，这样不仅可为医生实时提供组织图像，而且组织图像中还实时显示治疗光斑边界，从而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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。