[發(fā)明專利]一種基于光聲成像的快速氧分壓檢測系統(tǒng)及方法

在審

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• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN113029968A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳澤宇;陳翔;王灌;王波;肖嘉瑩;彭寬
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/64
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 熊開蘭

本發(fā)明公開了一種基于光聲成像的快速氧分壓檢測系統(tǒng)及方法，其系統(tǒng)包括：激光發(fā)生系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、光聲信號采集系統(tǒng)和交互控制系統(tǒng)；激光發(fā)生系統(tǒng)包括兩個激光發(fā)生器，分別由交互控制系統(tǒng)控制產(chǎn)生激發(fā)激光脈沖和探測激光脈沖，激發(fā)激光和探測激光均通過光路系統(tǒng)照射到氧含量待測樣品上；光聲信號檢測系統(tǒng)采集并檢測氧含量待測樣品的光聲信號并輸出給交互控制系統(tǒng)；交互控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的光聲信號，基于磷光壽命與氧含量之間關(guān)系的先驗(yàn)知識計(jì)算氧含量待測樣品的氧氣濃度。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對組織氧含量的快速檢測，且測量效率高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光聲成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光聲成像的快速氧分壓檢測系統(tǒng)及方 法。

背景技術(shù)

光動力學(xué)療法(Photodynamic Therapy,PDT)，又名光敏療法，是近些年在臨床上應(yīng)用越 來越廣泛的新型療法。其基本原理是當(dāng)病灶處吸收光敏劑后，特定波長的光照使得光敏劑中 的電子受到激發(fā)，從基態(tài)躍遷至單重激發(fā)態(tài)，經(jīng)系間竄躍后轉(zhuǎn)變?yōu)槿丶ぐl(fā)態(tài)。三重激發(fā)態(tài) 的電子通過三重態(tài)相互作用將能量傳遞給周圍的氧分子，生成活性很強(qiáng)的單重態(tài)氧或氧自由 基，并產(chǎn)生細(xì)胞毒性，進(jìn)而導(dǎo)致靶向細(xì)胞壞死。在活體組織中，氧含量受到血液氧輸送能力、 組織氧消耗和光動力治療消耗的三重影響，始終處于動態(tài)變化中，因此要利用組織氧含量對 照射光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)控，就必須對組織中的氧含量進(jìn)行快速成像。

目前對組織氧含量的光聲測量技術(shù)均基于對激發(fā)磷光衰減曲線的測量，而對該曲線的擬 合需要在磷光衰減的不同時間點(diǎn)以us級別的時間分辨力進(jìn)行30～50次光聲信號采集。由于 目前超聲探測器靈敏度的限制，為了對微弱的磷光信號進(jìn)行光聲檢測需要mJ級別的激光單 脈沖能量，而市場上這類激光器的激光重復(fù)發(fā)射間隔均大于10ms,無法在一次磷光激發(fā)后連 續(xù)測量其衰減曲線，因而只能采取為磷光激發(fā)激光器和磷光檢測激光器設(shè)置一系列不同的激 光發(fā)射延時，并進(jìn)行多次磷光激發(fā)的方法來測量磷光衰減。由于一系列原因所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)吞 吐量不足，目前已有系統(tǒng)均難以實(shí)現(xiàn)組織氧含量的快速檢測。由于缺乏全自動的設(shè)備控制與 激勵系統(tǒng)，目前已有設(shè)備每次修改磷光衰減曲線的測量時間點(diǎn)均需手動進(jìn)行，極大的降低了 檢測效率。此外，由于目前激光器各次激光發(fā)射脈沖能量之間均存在一定程度的抖動，這種 抖動對磷光激發(fā)和探測的定量均存在影響，在已有系統(tǒng)中需要進(jìn)行數(shù)十次的數(shù)據(jù)平均來消除， 進(jìn)一步拖慢了測量速度。由于這些因素的限制，目前已有系統(tǒng)每次氧含量測量均需耗時數(shù)分 鐘，難以滿足對組織氧含量進(jìn)行快速檢測的要求。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)對氧含量檢測的不足，本發(fā)明提供一種基于光聲成像的快速氧分壓檢測系 統(tǒng)及方法，可以實(shí)現(xiàn)對組織氧含量的快速檢測，且提高測量效率。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于光聲成像的快速氧分壓檢測系統(tǒng)，包括：激光發(fā)生系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、光聲信號 采集系統(tǒng)和交互控制系統(tǒng)；所述激光發(fā)生系統(tǒng)包括兩個激光發(fā)生器，分別由交互控制系統(tǒng)控 制產(chǎn)生激發(fā)激光脈沖和探測激光脈沖，激發(fā)激光和探測激光均通過所述光路系統(tǒng)照射到氧含 量待測樣品上；所述光聲信號檢測系統(tǒng)采集并檢測氧含量待測樣品的光聲信號并輸出給交互 控制系統(tǒng)；所述交互控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的光聲信號，基于磷光壽命與氧含量之間關(guān)系的先 驗(yàn)知識計(jì)算氧含量待測樣品的氧氣濃度。

在更優(yōu)的技術(shù)方案中，所述快速氧分壓檢測系統(tǒng)還包括協(xié)調(diào)激勵系統(tǒng)，所述交互控制系 統(tǒng)經(jīng)由協(xié)調(diào)激勵系統(tǒng)控制激光發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生激光脈沖的時間延遲；所述協(xié)調(diào)激勵系統(tǒng)包括 FPGA、兩個分光鏡和兩個激光能量檢測器；所述兩個分光鏡分別設(shè)置于兩個激光發(fā)生器的輸 出光路上，且每個分光鏡將激光發(fā)生器的部分激光照射到對應(yīng)的一個激光能量檢測器；所述 激光能量檢測器從FPGA接收觸發(fā)檢測信號，并檢測激光發(fā)生器輸出激光的能量并反饋給交 互控制系統(tǒng)。

在更優(yōu)的技術(shù)方案中，產(chǎn)生激發(fā)激光脈沖的激光發(fā)生器的輸出波長為532nm，產(chǎn)生探測 激光脈沖的激光發(fā)生器的輸出波長為740nm。