一种基于温度和图像双模监测与反馈的光热治疗系统

本发明涉及生物医学及光学技术领域，尤其是一种基于温度和图像双模监测与反馈的光热治疗系统。

背景技术：

光热疗法是一种利用局部生物组织受热使病变组织（癌细胞组织）凝固坏死的肿瘤热疗技术。它的基本过程是通过经皮穿刺将有孔道的探针导入需治疗的组织或肿瘤组织，由激光对组织进行照射，组织将吸收光能量转为热能向周围组织扩散，导致组织温度不断升高，使肿瘤靶组织产生热凝固坏死，其主要过程是组织的光热响应。光热治疗肿瘤时光热效应产生的温度对肿瘤细胞直接损伤破坏作用。当进行光热治疗时，在光热转换效应的作用下，即使光源是朝向病变区的，病变区上堆积的热量依旧会分散开来，传递到组织体的另外部位。所以不管组织是否病变，在被超过有效范围的温度作用一定时间后，都会一定程度受到热损伤。由此可见温度在光热治疗中是一个核心参数。当前光热治疗的参数控制都是凭着医生的经验值设定的，当激光剂量小的时候，对于治疗无效果；而激光剂量大时，会使正常组织收到损伤。因此，实时监测光热治疗过程中温度的动态变化在治疗控制中起重要作用。

红外线像仪监测温度，无需进入组织内部，具有非侵入、成像快速、图像直观等特点，它的无损检测特性有助于在不破坏组织的情况下检测温度，这在光热治疗的应用中无疑是个很好的选择。在实现监测温度的情况下，如果可以根据温度调节激光功率而使温度保持在恒定的期望值的话，那就可以模拟出期望温度值的光热损伤了。因此，在本发明中，我们尝试通过pid控制器与红外热像仪相结合设计温度反馈式的激光功率调节系统来调节功率得到相应期望温度的光热效果。

在治疗过程中，不仅仅温度场的监测重要，实现图像的无创监测也尤为重要。目前常用的无损检测技术有利也有弊。磁共振成像(magneticresonanceimage，mri)，成像清楚、分辨率好，但是用于实时检测的话效果不佳，并且价格并不便宜，而且可能无法用于部分特别的病患；计算机断层扫描(computedtomography，ct)图像虽然分辨率高，价格廉价，但对人体存在副作用。好在近年来光学相干层析成像(opticalcoherencytomography，oct)技术作为新的一种成像形式取得了长足的进步，并且仍然具备良好的发展空间。作为一种无需接触、不会造成创伤且价格不高的成像技术，它的分辨率优秀，对于像组织器官这种散射作用强的介质，可以实现深度成像。所以我们尝试使用oct成像技术来辅助重建内外部图像，从而帮助观察组织损伤的范围。

技术实现要素：

本发明提出一种基于温度和图像双模监测与反馈的光热治疗系统，能对光热治疗过程中的重要参数进行监测，同时可结合温度监测、图像监测进行反馈。

本发明采用以下技术方案。

一种基于温度和图像双模监测与反馈的光热治疗系统，可对待处理组织进行范围可控的精确激光辐照，所述光热治疗系统包括控制反馈模块（4）和与之相连的光热治疗模块（1）、可进行红外成像的温度监测模块（2）；所述光热治疗模块以激光辐照待处理组织使之升温；控制反馈模块经温度监测模块获取待处理组织的红外热成像，以评估当前激光辐照形成的升温范围是否在待处理组织的预设的阈值温度范围内，以及接受激光辐照的组织可承受的温度是否符合预设值。

所述光热治疗系统还包括可进行三维成像的oct图像监测模块（3）；所述控制反馈模块经oct图像监测模块获取待处理组织的图像。

所述控制反馈模块通过oct图像监测模块对受热时的待处理组织进行成像并重构三维图像，以获取辐照过程中待处理组织表面及内部在被辐照时的状态变化信息，并监测辐照时的待处理组织是否受到光热损伤。

所述温度监测模块包括红外热像仪（201）；所述光热治疗模块包括在其激光光路上顺序设置的第一激光器（101）、第一准直器（102）和光纤治疗头（103）；第一激光器的激光经第一准直器、光纤治疗头后对待处理组织进行辐照。

所述光纤治疗头在对待处理组织辐照时，与组织的距离为2cm；所述红外热像仪以光学支架固定，其探测方向与光热治疗模块照射部位所成斜角角度为45度。

所述oct图像监测模块的光源为第二激光器（301），其所发激光经隔离器（302）、光纤耦合器（303）后出射至参考臂光路及样品臂光路；进入参考臂光路的激光经参考臂光路内的第二准直器（304）射至平面镜（305）后，被平面镜反射回光纤耦合器处形成第一返回光；进入样品臂光路的激光经样品臂光路的第三准直器（306）、反射镜（307）、透镜（308）、扫描振镜（309）后照射于光热治疗模块进行激光辐照的待处理组织处，其反射光在光纤耦合器处形成第二返回光；所述第一返回光、第二返回光在光纤耦合器处形成的相干光输出至光谱仪（310）；所述控制反馈模块通过数据采集卡（311）接收光谱仪数据。

所述光纤耦合器为具有50:50分光比的2×2耦合器；所述光热治疗系统还包括用于放置待处理组织的数控样品台（5）；所述数控样品台为三轴电动的精密电控平移台，可对放置的待处理组织进行位置和姿态上的三维调节。

所述控制反馈模块通过数据采集卡获取oct图像监测模块的光学数据，通过数据采集卡获取红外热像仪的温度探测数据；所述控制反馈模块根据光学数据、温度探测数据控制第一激光器的能量输出，以及扫描振镜和数控样品台的工作状态，从而保持待处理组织受激光辐照所导致的温度变化在所设定的阈值范围内。

所述控制反馈模块包括数控工作站，利用计算机资源处理温度数据以及通过调节激光功率来保持被辐照组织温度在阈值范围内，通过amira三维重构算法处理数据采集卡的光学数据来重构被激光辐照组织的三维图像并分割光热治疗的损伤范围，通过rs-232接口实现系统数据的传输以及对光热治疗系统内各仪器控制的功能，并使用虚拟仪器技术labview编写系统的控制功能，所述控制功能包括激光基本控制功能的实现、温度的实时读取、激光功率的实时调节和数据的可视化显示、通过pid控制器来实现反馈控制的功能。

为防止激光对组织辐照时的光反射、热聚焦及热扩散效应造成的辐射率偏差影响红外热像仪测温精度，所述红外热像仪通过修正定标作业来校正其光热治疗系统测温时的辐射率偏差，

所述修正定标作业的方法包括以下步骤；

步骤s1、用预设功率的激光辐照水面十分钟后，再分别用热电偶、温度计、红外热像仪对水面的被照射区域测温以获取水温变化数据；

步骤s2、用预设功率的激光辐照与待处理组织类似的离体组织十分钟后，再分别用热电偶、红外热像仪对该离体组织的被照射区域进行测温，以获取组织温度变化数据；

步骤s3、以水温变化数据、组织温度变化数据对红外热像仪进行修正定标。

本发明中，三轴电动精密的电控平移台带动放置样品的样平台做二维扫描，从而达到三维扫描的效果。

本发明利用pid(比例proportional；积分integral；微分derivative)结合治疗系统和温度监控系统实时反馈治疗效果并调整第一激光器能量的输出，其温度反馈系统用pid反馈包括实现激光能量的输出反馈结合激光器的功率调节、红外热像仪的温度监测以及pid算法。当控制系统监测到的组织温度超过设定温度时，治疗系统会自动调整激光的剂量。

本发明的有益效果在于：实现光热治疗与温度监控、图像监控一体。达到从温度和图像的角度实时同步检测治疗过程中的温度和形态变化。探测到的温度和图像信息又反馈给pid系统，调整治疗参数，以达到实时的个性化治疗的目的。该方法可以应用于光动力治疗方法，光免疫治疗方法等的应用。

本发明的有益效果还在于：构建了一种基于温度和图像双模精准治疗实时监测与反馈的系统。该系统集治疗，温度和图像双模监测，反馈控制于一体，在实际应用中优化各项参数指标，最终可实现原位肿瘤光热治疗的精准治疗，从而有效控制远端转移肿瘤的目的。

本发明提供的一种光热治疗的可视化温度图像实时监测及反馈系统。该系统可以实时获得光热治疗过程中的温度动态变化（精确到0.1℃），和三维图像，并可显示治疗过程中的损伤程度。可以达到实时监测反馈调整光热治疗的参数，为肿瘤组织的光热治疗提供了精准的治疗监控系统。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的结构原理示意图；

附图2是oct图像监测模块的三维成像示意图；

附图3是红外热像仪用于温度反馈的热成像示意图；

附图4是本发明的控制反馈模块的控制面板示意图；

图中：1－光热治疗模块；2－温度监测模块；3－oct图像监测模块；4－控制反馈模块；5－数控样品台；

101－第一激光器；102－第一准直器；103－光纤治疗头；

201－红外热像仪；

301－第二激光器；302－隔离器；303－光纤耦合器；304－第二准直器；305－平面镜；306－第三准直器；307－反射镜；308－透镜；309－扫描振镜；310－光谱仪；311－数据采集卡；

401－数控工作站。

具体实施方式

如图所示，一种基于温度和图像双模监测与反馈的光热治疗系统，可对待处理组织进行范围可控的精确激光辐照，所述光热治疗系统包括控制反馈模块4和与之相连的光热治疗模块1、可进行红外成像的温度监测模块2；所述光热治疗模块以激光辐照待处理组织使之升温；控制反馈模块经温度监测模块获取待处理组织的红外热成像，以评估当前激光辐照形成的升温范围是否在待处理组织的预设的阈值温度范围内，以及接受激光辐照的组织可承受的温度是否符合预设值。

所述光热治疗系统还包括可进行三维成像的oct图像监测模块3；所述控制反馈模块经oct图像监测模块获取待处理组织的图像。

所述控制反馈模块通过oct图像监测模块对受热时的待处理组织进行成像并重构三维图像，以获取辐照过程中待处理组织表面及内部在被辐照时的状态变化信息，并监测辐照时的待处理组织是否受到光热损伤。

所述温度监测模块包括红外热像仪201；所述光热治疗模块包括在其激光光路上顺序设置的第一激光器101、第一准直器102和光纤治疗头103；第一激光器的激光经第一准直器、光纤治疗头后对待处理组织进行辐照。

所述光纤治疗头在对待处理组织辐照时，与组织的距离为2cm；所述红外热像仪以光学支架固定，其探测方向与光热治疗模块照射部位所成斜角角度为45度。

所述oct图像监测模块的光源为第二激光器301，其所发激光经隔离器302、光纤耦合器303后出射至参考臂光路及样品臂光路；进入参考臂光路的激光经参考臂光路内的第二准直器304射至平面镜305后，被平面镜反射回光纤耦合器处形成第一返回光；进入样品臂光路的激光经样品臂光路的第三准直器306、反射镜307、透镜308、扫描振镜309后照射于光热治疗模块进行激光辐照的待处理组织处，其反射光在光纤耦合器处形成第二返回光；所述第一返回光、第二返回光在光纤耦合器处形成的相干光输出至光谱仪310；所述控制反馈模块通过数据采集卡311接收光谱仪数据。

所述光纤耦合器为具有50:50分光比的2×2耦合器；所述光热治疗系统还包括用于放置待处理组织的数控样品台5；所述数控样品台为三轴电动的精密电控平移台，可对放置的待处理组织进行位置和姿态上的三维调节。

所述控制反馈模块通过数据采集卡获取oct图像监测模块的光学数据，通过数据采集卡获取红外热像仪的温度探测数据；所述控制反馈模块根据光学数据、温度探测数据控制第一激光器的能量输出，以及扫描振镜和数控样品台的工作状态，从而保持待处理组织受激光辐照所导致的温度变化在所设定的阈值范围内。

所述控制反馈模块包括数控工作站401，利用计算机资源处理温度数据以及通过调节激光功率来保持被辐照组织温度在阈值范围内，通过amira三维重构算法处理数据采集卡的光学数据来重构被激光辐照组织的三维图像并分割光热治疗的损伤范围，通过rs-232接口实现系统数据的传输以及对光热治疗系统内各仪器控制的功能，并使用虚拟仪器技术labview编写系统的控制功能，所述控制功能包括激光基本控制功能的实现、温度的实时读取、激光功率的实时调节和数据的可视化显示、通过pid控制器来实现反馈控制的功能。

为防止激光对组织辐照时的光反射、热聚焦及热扩散效应造成的辐射率偏差影响红外热像仪测温精度，所述红外热像仪通过修正定标作业来校正其光热治疗系统测温时的辐射率偏差，

所述修正定标作业的方法包括以下步骤；

步骤s1、用预设功率的激光辐照水面十分钟后，再分别用热电偶、温度计、红外热像仪对水面的被照射区域测温以获取水温变化数据；

步骤s2、用预设功率的激光辐照与待处理组织类似的离体组织十分钟后，再分别用热电偶、红外热像仪对该离体组织的被照射区域进行测温，以获取组织温度变化数据；

步骤s3、以水温变化数据、组织温度变化数据对红外热像仪进行修正定标。

本例中，三轴电动精密的电控平移台带动放置样品的样平台做二维扫描，从而达到三维扫描的效果。

本例的工作过程为：第一激光器101发出的光经过第一准直器102后由光纤治疗头103进入样品501；第二激光器301发出的光束经过隔离器302后进入光纤耦合器303，经光纤耦合器303将光束分为参考臂和样品臂，参考臂光路的光经过第二准直器304后经平面镜305反射沿原路返回至光纤耦合器303，样品臂光路的光依次经过第三准直器306，反射镜307，经透镜308聚焦后进入扫描振镜309，而后入射到数控三维样品台501上的待测样品上，从待测样品返回的光和从参考臂光路上经平面镜305沿原路返回的参考光在光纤耦合器303处相干后由光谱仪310接收相干光，再由数据采集卡311收集光谱仪310上的数据；红外热像仪201斜45度探测样品台501，获得样品表面的温度。第一激光器101的功率控制，采集卡311的oct图像显示与分析，以及红外热像仪201的温度显示都有控制和处理模块4进行分析处理，控制处理模块4建立pid反馈系统，实时反馈治疗过程中温度的动态变化，当达到阈值时，调整第一激光器101的激光参数。通过控制处理模块4实现光热治疗的精准治疗与跟踪反馈。

实施例一：

本例中，以小鼠肿瘤部位作为本系统的实验对象，本例中的一种基于温度和图像双模监测与反馈的光热治疗系统，包括控制与处理模块4，光热治疗模块1，温度监测模块2，oct图像监测模块3，数控样品台5；

在所述的光热治疗模块中以半导体激光器808nm的光源作为第一激光器101的输出光源，经过第一准直器102和光学治疗头103斜入射到样品台501上的小鼠肿瘤部位；

在oct图像监测模块中，以1310nm的扫描光源作为第二激光器301发出的光束，扫描光源发出的光束经过隔离器302后进入光纤耦合器303，经光纤耦合器303将光束分为参考臂和样品臂，参考臂光路的光经过第二准直器304后经平面镜305反射沿原路返回至光纤耦合器303，样品臂光路的光依次经过第三准直器306，反射镜307，经透镜308聚焦后进入扫描振镜309，而后入射到数控三维样品台501上的小鼠肿瘤位置上，从小鼠肿瘤位置返回的光和从参考臂光路上经平面镜305沿原路返回的参考光在光纤耦合器303处相干后由光谱仪310接收相干光，再由数据采集卡311收集光谱仪310上的数据；与此同时，红外热像仪201斜45度探测小鼠皮肤位置获得皮肤表面的温度；控制与处理模块4控制半导体激光器的功率输出，控制扫描振镜309以确定oct图像扫描范围，控制数控三维样品台501以实现对小鼠皮肤三维扫描，获得小鼠皮肤的三维图像，如图2所示，同时，通过红外热成像仪采集组织温度，如图3所示，

利用计算机资源处理温度数据以及通过调节激光功率来保持被辐照组织温度在阈值范围内。通过rs-232接口实现系统数据的传输以及对仪器控制的功能，并使用虚拟仪器技术labview编写系统的控制功能，如图4所示，包括激光基本控制功能的实现、温度的实时读取、激光功率的实时调节和数据的可视化显示，并且通过pid控制器来实现反馈控制的功能。软件实现了数据的实时采集以及控制激光辐照功率的功能。

本例中，以oct成像技术来辅助重建小鼠皮肤内外部图像，从而帮助观察小鼠皮肤组织损伤的范围。