光声血管成像监测肿瘤光动力治疗效果的方法和装置

1.一种光声血管成像监测肿瘤光动力治疗效果的装置，其特征在于包括激光发 生组件、旋转扫描组件、声信号采集组件、计算机组件、样品固定组件、声耦合组 件；激光发生组件、声信号采集组件，计算机依次电气连接；旋转扫描机构与计算 机电气连接；样品固定组件与声耦合组件依次序连接；
所述激光发生组件用于将激光器产生脉冲激光经光路调整系统照射到待监测 的样品上；
所述旋转扫描机构由带驱动的步进电机控制环形扫描支架进行扫描；
所述声信号采集组件由声探测器、信号放大器、示波器、带GPIB卡的计算机依 次电气连接构成；
所述样品固定组件为三维可调的平台和样品固定装置；
所述声耦合组件的水槽内充满声耦合液、耦合液内置温控装置。

技术领域
本发明涉及医学和医疗器械。更详细地是一种光声血管成像监测肿瘤光动力治 疗效果的方法。
本发明还涉及实现上述方法所用的装置。
背景技术
光动力疗法是损伤最小的早期恶性肿瘤治疗方法，也是晚期恶性肿瘤的一种姑 息治疗方法。光动力治疗能够选择性地消灭局部浅表肿瘤而不危及正常组织，并可以 与化疗和放疗协同进行。由于肿瘤细胞的生存和生长主要依靠肿瘤周围血管提供营 养成分，所以血管损伤效应被认为是光动力治疗肿瘤的重要机制之一。因此，开展 肿瘤光动力治疗中血管损伤效应的监测与研究不仅在生命科学基础研究中有着重 大的理论意义，而且对于实时检测肿瘤的治疗情况、筛选具有最佳治疗效果的光敏 剂、确定合适的光动力剂量，推动光动力治疗的临床运用也具有现实意义。
光动力治疗破坏肿瘤周围血管和抑制新生血管的机制一直受到关注，但是并没 有被完全研究清楚，这在某种程度上受限于动物模型以及成像方式的选取。研究表 明，可以将血管损伤程度与血管的管径变化关联起来。传统的光学显微技术可以观 察肿瘤周围的血管，但是需要组织切片，不能实现载体实时检测血管的损伤情况； 利用激光成像技术可以研究血液的流速分布、灌注率等血液动力学变化。但是由于 组织是混浊介质，光的强散射将造成纯光学成像的低灵敏度和低分辨率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺点和不足，提供一种光声血管成像监 测肿瘤光动力治疗效果的方法，利用光声技术可以产生高对比度高分辨率的组织影 像的特点，通过将光动力治疗前后的光声层析图像进行对比来评估血管的损伤效 果，同时利用光声信号的正负极性的峰峰值宽度的改变监测血管管径的改变，其操 作性能灵敏、快捷，能够实时准确监测肿瘤光动力治疗效果。
本发明只是用于肿瘤组织的监测和研究其治疗过程；而且，本发明不仅限于此， 本发明还可用于观察生物进化发育过程等。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的装置。
本发明光声血管成像监测肿瘤光动力治疗效果的方法的方法包括：在激光照射 肿瘤组织进行光动力治疗的过程中，对比肿瘤组织在光动力作用前后的光声层析图 像，通过血管光声信号的正负极性的峰峰宽度的改变来反映血管管径的改变，从而 实时监测肿瘤光动力治疗效果。
更具体地，本发明的方法包括下述步骤：
(1)在光动力治疗前，利用扫描得到光动力治疗前肿瘤血管的光声层析图像；
(2)在光动力治疗过程中，连续采集肿瘤组织的血管光声信号；
(3)在光动力治疗结束后，旋转扫描得到光动力治疗后的肿瘤血管的光声层析 图像；
(4)对采集的血管光声信号进行数据处理，分析在治疗过程中肿瘤组织血管的 损伤情况，同时对比光动力治疗前后的血管光声层析图像，来评估光动力治疗的效 果。
所述步骤(1)中，光动力治疗肿瘤模型通过将肿瘤细胞移植到小动物如鼠或 者鸡胚胎上培养肿瘤而构建得到。
所述步骤(2)中，光动力治疗采用常用光敏剂，如，Protoporphyrin IX。
所述步骤(2)中，在进行光动力治疗时，选用脉冲激光，该激光既是光动力 治疗的光源，也是光声监测的光源。激光波长与光敏剂的吸收峰对应，一般在350 -700nm。
所述步骤(3)中，旋转扫描指在LABIEW采集程序控制下，步进电机带动声 探测器旋转360°采集光声信号。
所述步骤(4)中，数据处理指对采集的光声信号进行分析和处理。
一种实现上述方法采用的装置，包括激光发生组件、旋转扫描组件、声信号采 集组件、计算机组件、样品固定组件、声耦合组件；激光发生组件、声信号采集组 件、计算机依次电气连接；旋转扫描机构与计算机电气连接；样品固定组件与声耦 合组件依次序连接。
所述激光发生组件用于将激光器产生脉冲激光经光路调整系统照射到待监测 的样品上。
所述旋转扫描机构由带驱动的步进电机控制环形扫描支架进行扫描。
所述声信号采集组件由声探测器、信号放大器、示波器、带GGPIB卡的计算机依 次电气连接构成。
所述计算机内装有采集控制软件和数据处理软件。
所述样品固定组件为三维可调的平台和样品固定装置。
所述声耦合组件的水槽内充满声耦合液、耦合液内置温控装置可以控制温度在 37℃左右。
本发明的工作原理是：由于肿瘤细胞的生存和生长主要依靠肿瘤周围血管提供 营养成分，所以光动力治疗破坏肿瘤周围血管和抑制新生血管的机制一直受到关 注。研究表明，血管损伤导致血管收缩和血小板聚集造成血流阻滞和局部组织缺氧， 是导致肿瘤组织损伤乃至坏死的主要原因。本发明者研究发现，可将血管损伤程度 与血管的管径变化关联起来。当用脉冲激光照射到肿瘤组织周围，由于血管中血红 蛋白等发色集团吸收光能量引起温升，温升导致热膨胀而产生压力波，这就是光声 效应，光声效应给出了样品光吸收光分布和光声信号的关系。通过测量光声信号可 以反演出组织的光吸收分布，特别是可以重构出血管的直径大小，这不仅可以用于 组织的血管分布成像还可以通过监测血管直径大小的改变来评估光动力的治疗效 果。由于通过检测信号就可以直接反映出血管直径的变化，此方法方便快捷，可以 实时监测光动力治疗的疗效。
本发明与现有技术相比具有如下的优点及效果：
(1)本发明方法结合了超声对机体具有较强的穿透能力及光学成像具有高分辨 的优点，与传统医学影像方法相比具有高分辨率高对比度的优点。
(2)本发明利用光声技术监测肿瘤治疗过程中血管的损伤情况，与传统的光镜 显微技术相比不需要组织学切片，是一种无损伤的监测技术，能够提供在体监测。
(3)本发明方法可以直接利用光声信号反映血管管径大小，所以能够做到准确 实时的监测光动力治疗过程中血管的损伤情况。
(4)本发明中选用的脉冲激光既是光动力治疗同时也是光声检测的光源，有效 的将肿瘤的治疗和监测一体化，为临床研究提供了一种更便捷的方法。
(5)本发明的装置的各组件的造价较低，所以整体装置的造价亦相对较低，易 于应用推广。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是利用图1所示装置实现的光动力治疗前后的肿瘤血管光声层析图像。
图3(a)是利用图1所示装置采集的0，5，10，15，20分钟肿瘤血管管径的 光声时域信号。
图3(b)是利用图1所示装置实现的在光动力治疗过程中的肿瘤血管管径连续 实时的变化曲线。
图4(a)是利用图1所示装置实现的管径在90微米左右的肿瘤血管在不同光 照剂量和光敏剂浓度下的损伤曲线。
图4(b)是利用图1所示装置实现的管径在280微米左右的肿瘤血管在不同光 照剂量和光敏剂浓度下的损伤曲线。
具体实施方式
实施例1
由图1可见，本发明装置由激光发生组件1、旋转扫描组件2、声信号采集组件3、 计算机组成4、样品固定组件5、声耦合组件6组成。其中激光器组件1由激光器1-1、 镀膜反射镜1-2、凹透镜1-3、毛玻璃1-4依次序连接构成；旋转扫描组件由计算机4 通过数字I/O卡和继电控制器2-2控制步进电机2-1带动旋转支架2-3旋转。声信号采集 组件由声探测器3-1经信号放大器3-2放大，示波器3-3平均后由带GPIB卡的电脑4通 过控制软件完成采集。其中：激光器1-1选用白俄罗斯LOTIS公司的TII，可发出波 长为350-500nm，690nm-1000nm的连续可调的以及532nm和1064nm的脉冲激光； 声探测器采用针状的磺化聚二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)膜的水听器 (Precision acoustic Ltd制)，接收面积直径1mm，探测灵敏度为850nv/pa，接收面积 直径为1mm。自制的功率放大器放大增益0～20dB，带宽10kHz～12MHz；采用美 国泰克(Tektronix)TDS3032型数字示波器。电机为日本东方2相步进电机VEXTA步 长1.8°。采集控制程序用LABVIEW软件实现，数字图形信号处理用matlab软件实现； 计算机4可以选用P4微机，内存256M；样品池6-1是用合成树脂制成的长方体盒子， 样品池中充满自制的声耦合液6-2利于声速匹配，利用温度控制系统6-3保持耦合液 的温度在37℃左右，以保证鸡胚胎在试验中不会坏死。
将上述装置应用于一培植好肿瘤的鸡胚胎，利用三维可调的样品载物台固定好 鸡胚胎的位置，保持欲观测的胚胎部位和声探测器的位置在同一水平面内。试验中 选用532nm脉冲激光，脉宽6ns，重复频率是10Hz，输出脉冲能量为4mJ/cm2，既是 光动力治疗的光源也是光声监测的光源。声探测器接收到的光动力作用过程中的光 声信号经过前置放大和主放大器后送入数字示波器。实验中示波器的采样率为 250MHz，探测器在每一位置采集16次，经示波器平均后，通过GPIB卡被计算机采 集并存储，计算机通过数字I/O卡控制旋转平台的步进电机旋转，步长为1.8度，探 测器共采集200个位置的光声信号。通过MATLAB程序采用滤波反投影处理采集的 信号得到光动力作用以前的光声层析图像。接着向鸡胚胎尿囊膜内注射100μL浓度 为40umol/L的光敏剂ProtoporphyrinIX(相对分子质量：562.66，化学分子式： C34H34N4O4)，0.5h后用磷酸盐缓冲液(PBS)溶液洗涤5次，以去除未浸润到肿瘤或 血管内的ProtoporphyrinIX。将声探测器固定在监测血管的垂直位置，在光动力治疗 过程中每秒采集一次信号，连续采集血管的光声信号。光动力作用完成后，旋转扫 描声探测器，用同样的方法可以得到光动力作用以后的光声层析图像，如图2所示。 两者进行对比可以直观的观察光动力作用后血管的损伤效果。如图2(b)所示，可 以明显的看出治疗后的血管直径缩小，微血管减少。试验表明，多数微血管在光动 力剂量过大和光敏剂浓度过大的时候，很快破裂。
取出光动力作用过程中不同光照时间(测0，5，10，15分钟后)的血管光声时域 信号，如图3(a)。可以明显的看到，随着光照时间的延长，光声信号的峰峰值宽 度不断减小，说明随光照时间增长，在光敏剂的作用下，肿瘤周围的血管管径在不 断的缩小。
如图3(b)为每秒采集一次光声信号，连续动态记录下血管管径的变化和光声 信号幅值的改变。从图示可以看出，光动力实验开始阶段血管均出现轻微扩张， 管径增粗、流速增大的现象，然后血管逐渐收缩，管径变小。
结果表明，前2min的血管扩张是因为相比光敏反应，光热效应占主导地位，引起 局部温度升高，而血管的直径随温度的升高而逐渐增加，导致了血管的暂时扩张。
实施例2
本实施例采用的装置同实施例1。将上述装置应用于光动力对血管的不同血管 直径大小、光照剂量和光敏剂的浓度损伤效应的研究。试验中分别对直径在80μm 左右和直径284μm的血管光动力后的数据进行分析，血管受到的破坏分别见图4 (a)和(b).其中，当ProtoporphyrinIX浓度为40μmol/L，光剂量为36J/cm2、 72J/cm2时直径在80μm左右的血管几乎被完全破坏.直径284μm的血管由于其 管壁较厚，受小剂量(20μmol/L的ProtoporphyrinIX影响不大，均在初始值的50％ 以上，并于24h后较多恢复，大剂量(40μmol/L)的ProtoporphyrinIX对血管有 损伤，但是比直径较小的血管的损伤仍要小很多，为初始值的30％～50％之间。可 以明显的看出治疗后的血管直径缩小，微血管减少。多数微血管在光动力剂量过大 和光敏剂浓度过大的时候，很快破裂。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例 的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、 组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。