一種用於光動力學療法中單態氧檢測的裝置的製作方法
2023-04-22 22:39:31 1
專利名稱：一種用於光動力學療法中單態氧檢測的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光動力學療法(Photodynamic Therapy, PDT)中的一種單態氧 (Singletoxygen, 1O2)檢測裝置，具體說是通過直接檢測PDT中1O2近紅外發光，並同時對樣 品中的氧分壓和光敏劑螢光信號進行實時監測，三者結合起來後可以對PDT療效進行綜合 評估，屬雷射醫學治療儀器類。
背景技術：
PDT是一種聯合利用光、光敏劑和氧分子，通過光動力學反應選擇性地治療腫瘤， 年齡相關性黃斑變性和鮮紅斑痣等良性疾病的新療法，它與手術、化療和放療等腫瘤治療 手段相比，具有雙重性選擇的獨特優點首先，病變組織能夠選擇性地瀦留光敏劑；其次， 只有在特定波長光的輻照下，瀦留在組織中的光敏劑才能和組織中的氧分子發生生化反應 產生對細胞具有毒性的活性氧，其中1O2被認為是II型PDT的主要毒性物質。隨著PDT基 礎研究的不斷深入和臨床應用的廣泛開展，如何精確、有效地計算，並實時調整治療過程中 的劑量已成為臨床應用亟待解決的挑戰性課題。目前，PDT劑量評估方法主要包括以下四 種方法顯式劑量法、隱式劑量法、組織體對PDT的響應檢測和直接劑量法。其中，直接劑量 法通過直接測量具有細胞毒性的1O2，特別是通過測量1O2近紅外發光開展PDT劑量學的研 究已成為國際前沿研究熱點。這種方法的最大優點在於可以克服現有其它劑量學方法中的 光、光敏劑、氧分子，以及組織體光學特性等主要因素之間的複雜影響關係，將PDT的療效 與1O2的總量直接聯繫起來。目前，加拿大的Wilson教授等研究小組構建了近紅外光檢測系統，通過直接檢測 1O2在1270nm的輻射發光開展PDT-1O2劑量學研究。這些1O2檢測系統雖然有所不同，但是 主體的構成是基本相同的，都是利用脈衝雷射器對樣品進行照射，然後通過光學收集系統 或者利用光纖對樣品受到激發後的信號進行收集，利用高靈敏度的近紅外光電探測器件直 接測量所收集到1O2的輻射發光，並通過前置放大器之後進入計數板卡進行計數。由於在生 物環境中1O2的發光極其微弱，壽命極其短暫，且受到光電探測器件在近紅外波段響應靈敏 度的限制，現有1O2檢測系統的信噪比還無法滿足PDT臨床應用的要求。因此，就1O2壽命而 言，雖然有關1O2壽命的研究結果層出不窮，但是至今還沒有得到令人信服的可靠結果。此 外，在PDT過程中，1O2還可能會部分地參與光敏劑的光漂白過程，從而影響光敏劑的漂白速 率。與此同時，待測樣品中的氧分壓又直接決定著PDT過程中的1O2產量。然而，在現有的 1O2檢測系統中，都僅有檢測1O2近紅外發光的功能，並沒有對樣品中的氧分壓和光敏劑螢光 進行同時監測。
發明內容本實用新型針對現有1O2檢測系統中存在的不足，利用高靈敏度的近紅外光電倍 增管直接測量1O2近紅外發光，並同時對樣品中的氧分壓和光敏劑螢光信號進行實時監測。 通過優化雷射照射方式和光學收集系統，提高了 1O2檢測裝置的信噪比，對PDT療效進行綜
3合評估。實現上述目的採用的技術方案如下具有氧分壓和光敏劑螢光監測功能的1O2檢 測裝置由脈衝雷射器光源、信號同步單元、1O2近紅外發光檢測單元、螢光信號監測單元、樣 品氧分壓的監測單元和終端計算機處理系統組成，其中螢光信號監測單元、氧分壓的監測 單元、終端計算機處理系統之間通過信號線連接，其他單元之間通過光路連接。所述的信號同步單元由分光鏡、光電二極體組成，脈衝雷射器發出的雷射，經過分 光鏡後，通過光電二極體產生計數板卡同步觸發信號，進入終端計算機處理系統，構成信號 同步單元。所述的1O2近紅外發光檢測單元由窄帶濾波片P2、平面反光鏡、微透鏡陣列、矩形 導光管石英比色皿、長波通濾波片、光學收集系統、濾光輪、近紅外光電倍增管、前置放大 器、計數板卡和基於LabVIEW的系統數據採集與處理軟體組成。脈衝雷射器發出的雷射，經 過分光鏡分路後，依次通過窄帶濾波片P2、平面反光鏡，到達微透鏡陣列和矩形導光管，經 微透鏡陣列和矩形導光管整形、擴束，形成與石英比色皿截面相同形狀的雷射光束，而且照 度均勻，從石英比色皿的底部正入射，使整個樣品被雷射均勻輻照，產生光敏劑螢光信號和 1O2近紅外發光信號。其中1O2近紅外發光信號經長波通濾波片、光學收集系統、濾光輪、近 紅外光電倍增管、前置放大器、計數板卡，進入終端計算機處理系統，構成1O2近紅外發光檢 測單元。在濾光輪上安放了 5個窄帶濾光片，中心波長為1270nm的濾波片，其帶寬為80nm， 即(1270 士 40)匪，這樣就能有效的提取丸在口了。 附近的發光信號。同時，中心波長為 1190，1230，1310和1350nm的濾波片，其帶寬為20nm，用於提取系統的背景信號。所述的光敏劑螢光信號監測單元由窄帶濾波片、耦合透鏡、光纖和微型光纖光譜 儀組成，光敏劑螢光信號經窄帶濾波片、耦合透鏡、光纖和微型光纖光譜儀，進入終端計算 機處理系統，構成光敏劑螢光信號監測單元。所述的樣品氧分壓的監測單元由置於石英比色皿內的氧分壓探針、氧分壓監控器 組成，氧分壓探針獲得的信號，經氧分壓監控器處理後，進入終端計算機處理系統，構成樣 品氧分壓的監測單元。所述的雷射器光源由可調諧的脈衝雷射器提供，脈衝雷射器可以調節從210nm到 2200nm的輸出雷射波長，以最大限度地匹配不同光敏劑的最佳吸收波長，進而可以提高 102產量。所述的微透鏡陣列和矩形導光管位於平面反光鏡和石英比色皿之間，脈衝雷射束 經微透鏡陣列和矩形導光管後形成準直均勻的擴束光斑。
以下將結合附圖對本實用新型作進一步的詳細描述。圖1是本實用新型所述的具體結構原理圖。圖2是本實用新型的具體結構圖。圖3是本實用新型實施例中採用玫瑰紅測出的1O2近紅外發光時間分辨光譜。圖4是本實用新型實施例中採用玫瑰紅測出的1O2近紅外發光光譜。圖1中，A為雷射器光源，B為1O2近紅外發光檢測單元，C為螢光信號監控單元，D 為終端計算機處理系統，E為氧分壓的監控單元，F為信號同步單元。螢光信號監控單元C、氧分壓的監控單元E和終端計算機處理系統D之間通過信號線連接，其他單元之間通過光 路連接。圖中2中，1為光電倍增管高壓電源，2為近紅外光電倍增管，3為前置放大器，4為 計數板卡，5為USB接口，6為計算機，7為微型光纖光譜儀，8為光纖，9為濾光輪，10為長波 通濾波片，11為光學收集系統，12為光電二極體，13為氧分壓監控器，14為耦合透鏡，15為 窄帶濾波片P1，16為氧分壓探針，17為石英比色皿，18為平面反射鏡，19為微透鏡陣列，20 為矩形導光管，21為窄帶濾波片P2，22為分光鏡，23為脈衝雷射器。圖3中，橫坐標表示時間(單位為微秒)，縱坐標表示1O2近紅外發光的光子數。圖4中，橫坐標表示波長(單位為納米)，縱坐標表示累計1O2近紅外發光光子數。
具體實施方式
如圖2所示，具有氧分壓和光敏劑螢光監測功能的1O2檢測裝置中雷射器光源採用 的是可調諧的脈衝雷射器〔23〕(PIV OPO 355，0P0TEK，USA)，可以調節脈衝雷射器〔23〕的 輸出雷射波長，其波長可以從210nm變化至2200nm。通過調節可調諧脈衝雷射器〔23〕的輸 出波長以最大限度地匹配PDT所用光敏劑的最佳吸收波長。雷射器〔23〕輸出的光束，通過 分光鏡〔22〕，一路雷射進入光電二極體〔12〕(PDM-400, Becker and Hickl GmbH, German), 光信號轉化為電信號作為計數板卡〔4〕(MSA300, Becker and Hickl GmbH, German)的同步 觸發信號；另一路雷射通過平面反射鏡〔18〕反射之後，改變光路，經過微透鏡陣列〔19〕和 矩形導光管〔20〕的整型，從石英比色皿〔17〕底部均勻正入射，使石英比色皿中的樣品得到 均勻輻照，然後雷射束從石英比色皿頂部輸出。待測樣品(光敏劑溶液或者經過光敏劑孵 育的細胞懸浮液)經雷射照射後，光敏劑和樣品中的氧分子經過一系列的光物理和光化學 反應，產生1O2近紅外發光信號和光敏劑螢光信號。其中一路信號進入1O2近紅外發光檢測單 元中的長波通濾波片〔10〕，即信號通過長波通濾波片〔10〕後被光學系統〔11〕最大限度收 集，再經過濾光輪〔9〕(FW102B,Thorlabs,UK)上的窄帶濾波片對相應波段的1O2近紅外發光 信號進行提取。濾光輪〔9〕上安放了 5個窄帶濾光片，中心波長為1270nm的濾波片，其帶寬 為80nm，即(1270士40)nm，這樣就能有效的提取丸在1270nm附近的發光信號，中心波長為 1190，1230，1310和1350nm的濾波片，其帶寬為20nm，用於提取系統的背景信號，不同濾光 片提取的信號最後進入光電倍增管〔2〕(H10330-45, Hamamanstu, Japan)再經前置放大器 〔3〕(HFAC-26, Becker and Hickl GmbH, German)放大之後，進入計數板卡〔4〕進行同步計 數，該路信號與光電二極體〔12〕的觸發信號同步，其中濾光輪〔9〕通過USB線與電腦相連， 由基於LabVIEW的系統數據採集和處理軟體對計數板卡〔4〕和濾光輪〔9〕進行同步控制。 另一路信號進入光敏劑螢光信號監測單元，即信號通過窄帶濾波片Pl〔15〕後經耦合透鏡 〔14〕耦合入光纖〔8〕，信號通過光纖傳輸後進入微型光纖光譜儀〔7〕(USB4000Fiber0ptic Spectrometer, Ocean Optics, USA)，光譜儀通過USB接線連入終端計算機處理系統，由計 算機上的軟體對信號進行記錄。在檢測1O2近紅外發光信號和光敏劑螢光信號的同時，將氧 分壓探針〔16〕(OxyLite , Oxford Optronix Ltd, UK)放入石英比色皿〔17〕中對樣品的氧 分壓進行實時監測，由氧分壓監控器〔13〕(OxyLite , Oxford Optronix Ltd, UK)對探針〔 16〕的探測信號進行實時分析之後，信息送入電腦，通過軟體進行實時顯示。利用本實用新型所述的裝置測量了光敏劑玫瑰紅(Rose Bengal)在水溶液中的
51O2近紅外發光光譜。首先配製濃度分別為2 μ mol/L、4 μ mol/L、6 μ mol/L、8 μ mol/L的玫 瑰紅水溶液，脈衝雷射器〔23〕處於常開狀態，出射光分成兩路，將配製好的樣品溶液放入石 英比色皿〔17〕中，在激發光照射下(25mW/cm2)，啟動基於LabVIEW的系統數據採集和處理 軟體對計數板卡〔4〕和濾光輪〔9〕進行同步控制，計數板卡接收到信號同步部分的光電二 極管〔12〕同步觸發信號後，開始同步計數。圖3為8ymol/L玫瑰紅水溶液在523nm雷射 激發下，經過濾光輪〔9〕上5個不同濾光片提取所檢測到的近紅外發光時間分辨光譜信號， 從圖中可以清楚地看到，只有中心波長為1270nm的濾光片有明顯的近紅外發光信號，該信 號就是1O2近紅外發光信號。如圖4所示，隨著溶液中玫瑰紅濃度的增大，1O2在1270nm的 發光光子數也隨著增大，且在測量的濃度範圍內呈線性增大，但在1210和1330nm處的近紅 外發光光子數基本保持不變。 本實用新型通過優化雷射照射方式和光學收集系統，提高了現有1O2檢測裝置的 信噪比。利用高靈敏度的近紅外光電倍增管直接測量1O2近紅外發光，並同時對樣品中的氧 分壓和光敏劑螢光信號進行實時監測，三者結合起來後對PDT療效進行綜合評估，可應用 於PDT-1O2劑量學的研究。
權利要求一種具有氧分壓和光敏劑螢光監測功能的1O2檢測裝置，其特徵是裝置由脈衝雷射器光源、信號同步單元、1O2近紅外發光檢測單元、螢光信號監測單元、樣品氧分壓的監測單元和終端計算機處理系統組成，其中螢光信號監測單元、氧分壓監測單元、終端計算機處理系統之間通過信號線連接，其他單元之間通過光路連接。
2.根據權利要求1所述的一種用於光動力學療法中單態氧檢測的裝置，其特徵是所述 的信號同步單元由分光鏡、光電二極體組成，脈衝雷射器發出的雷射，經過分光鏡後，通過 光電二極體產生計數板卡同步觸發信號，進入終端計算機處理系統。
3.根據權利要求1所述的一種用於光動力學療法中單態氧檢測的裝置，其特徵是所述 的單態氧近紅外發光檢測單元由窄帶濾波片P2、平面反光鏡、微透鏡陣列、矩形導光管石英 比色皿、長波通濾波片、光學收集系統、濾光輪、近紅外光電倍增管、前置放大器、計數板卡 和基於LabVIEW的系統數據採集和處理軟體組成，脈衝雷射器發出的雷射，經過分光鏡分 路後，依次通過窄帶濾波片P2、平面反光鏡，到達微透鏡陣列和矩形導光管，經微透鏡陣列 和矩形導光管整形、擴束，形成與石英比色皿截面相同形狀的雷射光束，而且照度均勻，從 石英比色皿的底部正入射，使整個樣品被雷射均勻輻照，產生光敏劑螢光信號和1O2近紅外 發光信號，其中1O2近紅外發光信號經長波通濾波片、光學收集系統、濾光輪、近紅外光電倍 增管、前置放大器、計數板卡，進入終端計算機處理系統，構成1O2近紅外發光檢測單元。
4.根據權利要求1所述的一種用於光動力學療法中單態氧檢測的裝置，其特徵是所述 的光敏劑螢光信號監測單元由窄帶濾波片、耦合透鏡、光纖和微型光纖光譜儀組成，螢光信 號經窄帶濾波片P1、耦合透鏡、光纖和微型光纖光譜儀，進入終端計算機處理系統。
5.根據權利要求1所述的一種用於光動力學療法中單態氧檢測的裝置，其特徵是所述 的氧分壓監測單元由置於石英比色皿內的氧分壓探針、氧分壓監控器組成，氧分壓探針獲 得的信號經氧分壓監控器處理後，進入終端計算機處理系統。
6.根據權利要求1所述的一種用於光動力學療法中單態氧檢測的裝置，其特徵是所述 的雷射器光源採用可調諧的脈衝雷射器，雷射輸出波長範圍是210nm 2200nm。
專利摘要本實用新型涉及一種用於光動力學療法中單態氧檢測的裝置，屬醫療儀器類。該裝置由波長可調的脈衝雷射器光源、信號同步單元、單態氧近紅外發光檢測單元、光敏劑螢光信號監測單元、氧分壓監測單元和終端計算機處理系統組成，其中螢光信號監測單元、氧分壓監測單元、終端計算機處理系統之間通過信號線連接，其他單元之間通過光路連接。採用本裝置，不僅優化了雷射照射方式，而且提高了光學系統的採集效率和單態氧檢測裝置的信噪比。利用高靈敏度的近紅外光電倍增管直接測量單態氧近紅外發光，並同時對樣品中的氧分壓和光敏劑螢光信號進行實時監測，三者結合起來後可以對PDT療效進行綜合評估。
文檔編號A61N5/06GK201653905SQ201020059228
公開日2010年11月24日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者李步洪, 林慧韞, 林黎升, 沈毅, 謝樹森, 陳德福 申請人:福建師範大學