專利名稱：一種具有氧分壓和光敏劑熒光監(jiān)測功能的單態(tài)氧檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光動力學療法(Photodynamic Therapy, PDT)中的 一 種單態(tài)氧 (Singlet oxygen, 檢測裝置，具體說是通過直接檢測PDT中力2近紅外發(fā)光，并同時對 樣品中的氧分壓和光敏劑熒光信號進行實時監(jiān)測，三者結合起來后可以對PDT療效進行綜 合評估，屬激光醫(yī)學治療儀器類。
背景技術：
PDT是一種聯(lián)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(yōu)點首先，病變組織能夠選擇性地潴留光敏劑；其次， 只有在特定波長光的輻照下，潴留在組織中的光敏劑才能和組織中的氧分子發(fā)生生化反應 產生對細胞具有毒性的活性氧，其中力2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，并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(zhàn)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、，特別是通過測量力2近紅外發(fā)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(yōu)點在于可以克服現(xiàn)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復雜影響關系，將PDT的療效 與勺2的總量直接聯(lián)系起來。 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(tǒng)，通過直接檢測 力2在1270nm的輻射發(fā)光開展PDT」C^劑量學研究。這些勺2檢測系統(tǒng)雖然有所不同，但是 主體的構成是基本相同的，都是利用脈沖激光器對樣品進行照射，然后通過光學收集系統(tǒng) 或者利用光纖對樣品受到激發(fā)后的信號進行收集，利用高靈敏度的近紅外光電探測器件直 接測量所收集到勺2的輻射發(fā)光，并通過前置放大器之后進入計數(shù)板卡進行計數(shù)。由于在生 物環(huán)境中勺2的發(fā)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(xiàn)有勺2檢測系統(tǒng)的信噪比還無法滿足PDT臨床應用的要求。因此，就力2壽命而 言，雖然有關A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，、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^產量。然而，在現(xiàn)有的 力2檢測系統(tǒng)中，都僅有檢測勺2近紅外發(fā)光的功能，并沒有對樣品中的氧分壓和光敏劑熒光 進行同時監(jiān)測。
發(fā)明內容
本裝置針對現(xiàn)有勺2檢測系統(tǒng)中存在的不足，利用高靈敏度的近紅外光電倍增管 直接測量勺2近紅外發(fā)光，并同時對樣品中的氧分壓和光敏劑熒光信號進行實時監(jiān)測。通過 優(yōu)化激光照射方式和光學收集系統(tǒng)，提高了力2檢測裝置的信噪比，對PDT療效進行綜合評估。
實現(xiàn)上述目的的技術解決方案如下具有氧分壓和光敏劑熒光監(jiān)測功能的勺2檢
測裝置由脈沖激光器光源d言號同步單元、、近紅外發(fā)光檢測單元、熒光信號監(jiān)測單元、樣
品氧分壓的監(jiān)測單元和終端計算機處理系統(tǒng)組成，其中熒光信號監(jiān)測單元、氧分壓的監(jiān)測
單元、終端計算機處理系統(tǒng)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、光電二極管組成，脈沖激光器發(fā)出的激光，經(jīng)過分
光鏡后，通過光電二極管產生計數(shù)板卡同步觸發(fā)信號，進入終端計算機處理系統(tǒng)，構成信號
同步單元。 所述的勺2近紅外發(fā)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(tǒng)、濾光輪、近紅外光電倍增管、前置放大 器、計數(shù)板卡和基于LabVIEW的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理軟件組成。脈沖激光器發(fā)出的激光，經(jīng) 過分光鏡分路后，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(jīng) 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激光光束，而且照 度均勻，從石英比色皿的底部正入射，使整個樣品被激光均勻輻照，產生光敏劑熒光信號和 力2近紅外發(fā)光信號。其中勺2近紅外發(fā)光信號經(jīng)長波通濾波片、光學收集系統(tǒng)、濾光輪、近 紅外光電倍增管、前置放大器、計數(shù)板卡，進入終端計算機處理系統(tǒng)，構成勺2近紅外發(fā)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)nm，這樣就能有效的提取勺2在1270nm附近的發(fā)光信號。同時，中心波長為 1190， 1230， 1310和1350nm的濾波片，其帶寬為20nm，用于提取系統(tǒng)的背景信號。
所述的光敏劑熒光信號監(jiān)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，光敏劑熒光信號經(jīng)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(tǒng)，構成光敏劑熒光信號監(jiān)測單元。 所述的樣品氧分壓的監(jiān)測單元由置于石英比色皿內的氧分壓探針、氧分壓監(jiān)控器 組成，氧分壓探針獲得的信號，經(jīng)氧分壓監(jiān)控器處理后，進入終端計算機處理系統(tǒng)，構成樣 品氧分壓的監(jiān)測單元。 所述的激光器光源由可調諧的脈沖激光器提供，脈沖激光器可以調節(jié)從210nm到 2200nm的輸出激光波長，以最大限度地匹配不同光敏劑的最佳吸收波長，進而可以提高勺2 所述的微透鏡陣列和矩形導光管位于平面反光鏡和石英比色皿之間，脈沖激光束 經(jīng)微透鏡陣列和矩形導光管后形成準直均勻的擴束光斑。
以下將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
圖1是本發(fā)明所述的具體結構原理圖。
圖2是本發(fā)明的具體結構圖。 圖3是本發(fā)明實施例中采用玫瑰紅測出的力2近紅外發(fā)光時間分辨光譜。
圖4是本發(fā)明實施例中采用玫瑰紅測出的力2近紅外發(fā)光光譜。
圖1中，A為激光器光源，B為力2近紅外發(fā)光檢測單元，C為熒光信號監(jiān)控單元，D 為終端計算機處理系統(tǒng)，E為氧分壓的監(jiān)控單元，F(xiàn)為信號同步單元。熒光信號監(jiān)控單元C、
4氧分壓的監(jiān)控單元E和終端計算機處理系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)，12為光電二極管，13為氧分壓監(jiān)控器，14為耦合透鏡，15為 窄帶濾波片Pl， 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為脈沖激光器。
圖3中，橫坐標表示時間(單位為微秒)，縱坐標表示勺2近紅外發(fā)光的光子數(shù)。
圖4中，橫坐標表示波長(單位為納米)，縱坐標表示累計勺2近紅外發(fā)光光子數(shù)。
具體實施例方式
如圖2所示，具有氧分壓和光敏劑熒光監(jiān)測功能的^檢測裝置中激光器光源采用 的是可調諧的脈沖激光器〔23〕 (PIV 0P0 355，0P0TEK，USA)，可以調節(jié)脈沖激光器〔23〕的 輸出激光波長，其波長可以從210nm變化至2200nm。通過調節(jié)可調諧脈沖激光器〔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。激光器〔23〕輸出的光束，通過 分光鏡〔22〕，一路激光進入光電二極管〔12〕 (PDM-400， Becker and Hickl GmbH， German)， 光信號轉化為電信號作為計數(shù)板卡〔4〕 (MSA300， Becker and Hickl GmbH， German)的同步 觸發(fā)信號；另一路激光通過平面反射鏡〔18〕反射之后，改變光路，經(jīng)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，然后激光束從石英比色皿頂部輸出。待測樣品(光敏劑溶液或者經(jīng)過光敏劑孵 育的細胞懸浮液)經(jīng)激光照射后，光敏劑和樣品中的氧分子經(jīng)過一系列的光物理和光化學 反應，產生力2近紅外發(fā)光信號和光敏劑熒光信號。其中一路信號進入&近紅外發(fā)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〕后被光學系統(tǒng)〔11〕最大限度 收集，再經(jīng)過濾光輪〔9〕 (FW102B， Tnorlabs， UK)上的窄帶濾波片對相應波段的力2近紅外 發(fā)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^在1270nm附近的發(fā)光信號，中 心波長為1190， 1230， 1310和1350nm的濾波片，其帶寬為20mm，用于提取系統(tǒng)的背景信號， 不同濾光片提取的信號最后進入光電倍增管〔2〕 (H10330-45， Hamamanstu， J即an)再經(jīng)前 置放大器〔3〕 (HFAC-26， Becker and Hickl GmbH， German)放大之后，進入計數(shù)板卡〔4〕進 行同步計數(shù)，該路信號與光電二極管〔12〕的觸發(fā)信號同步，其中濾光輪〔9〕通過USB線與 電腦相連，由基于LabVIEW的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理軟件對計數(shù)板卡〔4〕和濾光輪〔9〕進行 同步控制。另一路信號進入光敏劑熒光信號監(jiān)測單元，即信號通過窄帶濾波片Pl 〔15〕后 經(jīng)耦合透鏡〔14〕耦合入光纖〔8〕，信號通過光纖傳輸后進入微型光纖光譜儀〔7〕 (USB4000 Fiber Optic Spectrometer, OceanOptics，USA)，光譜儀通過USB接線連入終端計算機處理 系統(tǒng)，由計算機上的軟件對信號進行記錄。在檢測勺2近紅外發(fā)光信號和光敏劑熒光信號的 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(jiān)測，由氧分壓監(jiān)控器〔13〕 (OxyLite , Oxford Optronix Ltd, UK)對探針〔16〕的探測信號進行實時分析之后，信息送入電腦，通過軟件進行實時顯示。
利用本裝置測量了光敏劑玫瑰紅(Rose Bengal)在水溶液中的力2近紅外發(fā)光光譜。首先配制濃度分別為2 ii mol/L、4 ii mol/L、6 y mol/L、8 y mol/L的玫瑰紅水溶液，脈沖 激光器(23〕處于常開狀態(tài)，出射光分成兩路，將配制好的樣品溶液放入石英比色皿〔17〕 中，在激發(fā)光照射下(25mW/cm2)，啟動基于LabVIEW的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理軟件對計數(shù)板卡 〔4〕和濾光輪〔9〕進行同步控制，計數(shù)板卡接收到信號同步部分的光電二極管〔12〕同步觸 發(fā)信號后，開始同步計數(shù)。圖3為8 mol/L玫瑰紅水溶液在523nm激光激發(fā)下，經(jīng)過濾光 輪〔9〕上5個不同濾光片提取所檢測到的近紅外發(fā)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(fā)光信號，該信號就是力2近紅外 發(fā)光信號。如圖4所示，隨著溶液中玫瑰紅濃度的增大，&在1270nm的發(fā)光光子數(shù)也隨著 增大，且在測量的濃度范圍內呈線性增大，但在1210和1330nm處的近紅外發(fā)光光子數(shù)基本 保持不變。 本發(fā)明通過優(yōu)化激光照射方式和光學收集系統(tǒng)，提高了現(xiàn)有力2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^近紅外發(fā)光，并同時對樣品中的氧分 壓和光敏劑熒光信號進行實時監(jiān)測，三者結合起來后對PDT療效進行綜合評估，可應用于 PDT-^劑量學的研究。
權利要求
一種具有氧分壓和光敏劑熒光監(jiān)測功能的單態(tài)氧檢測裝置，其特征是單態(tài)氧檢測裝置由激光器光源、信號同步單元、單態(tài)氧近紅外發(fā)光檢測單元、光敏劑熒光信號監(jiān)測單元、氧分壓監(jiān)測單元和終端計算機處理系統(tǒng)組成，光敏劑熒光信號監(jiān)測單元、氧分壓監(jiān)測單元、終端計算機處理系統(tǒng)之間通過信號線連接，其他單元之間通過光路連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的具有氧分壓和熒光監(jiān)測功能的單態(tài)氧檢測裝置，其特征是所 述的信號同步單元由分光鏡、光電二極管組成，脈沖激光器發(fā)出的激光，經(jīng)過分光鏡后，通 過光電二極管產生計數(shù)板卡同步觸發(fā)信號，進入終端計算機處理系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的具有氧分壓和熒光監(jiān)測功能的單態(tài)氧檢測裝置，其特征是所 述的單態(tài)氧近紅外發(fā)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(tǒng)、濾光輪、近紅外光電倍增管、前置放大器、計數(shù)板 卡和基于LabVIEW的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理軟件組成，脈沖激光器發(fā)出的激光，依次通過窄 帶濾波片、平面反光鏡、微透鏡陣列與矩形導光管，再經(jīng)長波通濾波片、光學收集系統(tǒng)、濾光 輪、近紅外光電倍增管、前置放大器、計數(shù)板卡，進入終端計算機處理系統(tǒng)。
4. 根據(jù)權利要求1所述的具有氧分壓和熒光監(jiān)測功能的單態(tài)氧檢測裝置，其特征是所 述的光敏劑熒光信號監(jiān)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，熒光 信號經(jīng)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(tǒng)。
5. 根據(jù)權利要求1所述的具有氧分壓和熒光監(jiān)測功能的單態(tài)氧檢測裝置，其特征是所 述的氧分壓監(jiān)測單元由置于石英比色皿內的氧分壓探針、氧分壓監(jiān)控器組成，氧分壓探針 獲得的信號經(jīng)氧分壓監(jiān)控器處理后，進入終端計算機處理系統(tǒng)。
6. 根據(jù)權利要求1所述的具有氧分壓和熒光監(jiān)測功能的單態(tài)氧檢測裝置，其特征是所 述的激光器光源采用可調諧的脈沖激光器，激光輸出波長范圍是210nm 2200nm。
全文摘要
一種具有氧分壓和光敏劑熒光監(jiān)測功能的單態(tài)氧檢測裝置，屬醫(yī)療儀器類。該裝置由波長可調的脈沖激光器光源、信號同步單元、單態(tài)氧近紅外發(fā)光檢測單元、光敏劑熒光信號監(jiān)測單元、氧分壓監(jiān)測單元和終端計算機處理系統(tǒng)組成，其中熒光信號監(jiān)測單元、氧分壓監(jiān)測單元、終端計算機處理系統(tǒng)之間通過信號線連接，其他單元之間通過光路連接。采用本裝置，不僅優(yōu)化了激光照射方式，而且提高了光學系統(tǒng)的采集效率和單態(tài)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(tài)氧近紅外發(fā)光，并同時對樣品中的氧分壓和光敏劑熒光信號進行實時監(jiān)測，三者結合起來后可以對PDT療效進行綜合評估。
文檔編號G01N21/64GK101788477SQ20101004481
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權日2010年1月12日
發(fā)明者李步洪, 林慧韞, 林黎升, 沈毅, 謝樹森, 陳德福 申請人:福建師范大學