一种用于癌症手术荧光导航和残癌示踪与清除的设备

摘要

本发明提出一种用于癌症手术荧光导航和残癌示踪与清除的设备是由带有程序控制器、荧光?反射光图像处理器、图像显示器、图像照明与治疗照明电源等部件的主机与图像照明与采集器、光动力治疗照射器等装置组合而成。可在病人注射适当剂量的靶向纳米光敏剂后进行手术导航，术中残癌示踪，为癌症病人实施精准治疗提供关键的信息。也能在术中对周边的隐性癌和血液中的癌残余进行检测，并开展选择性地杀伤肿瘤细胞，对健康组织基本没有损害或损害较小的光动力治疗，根除残余癌肿。从而达到癌症手术治疗后无需采用对人体健康伤害大的放、化疗来防止癌变复发和转移，大大有益于提高癌症患者的生存率以及癌症患者在康复期间的生活质量。

说明书

技术领域：

本发明属医疗仪器技术领域，是涉及一种用于癌症手术荧光导航和残癌示踪与清 除的设备

技术背景：

谈癌色变来形容这个成为人类第一杀手的癌症如此猖獗到无可忌惮程度一点也 不夸张。世界卫生组织收集的最新全球统计数据显示，全世界每年新增1400万癌症病例，报 道称，现在全球癌症患者中22％为中国人，中国癌症新增患者为307万人。20年后的预测数 据更为糟糕，全球癌症患者将增加70％，预示着“肿瘤猛于虎”的时代来临。

我国每年也花了近千亿费用用于癌症治疗，但仍然是成效甚微。绝大多数患者会 在病魔的折磨下死去活来，据医学统计癌症患者5年的生存还不到30％。

出现这一悲惨的状况是因为在癌症治疗中缺乏其有效的治疗手段所致，其中癌症 手术治疗很难发现残留的癌，更不容易清除进入血液循环的癌细胞，从而引起癌症复发和 转移；采用放、化疗治疗对身体的伤害大，免疫系统防御能力大大下降甚至彻底崩毁，一点 小感染或者并发症就足以让癌症病人致命，等诸多因素造成的，在治疗中的过分伤害更显 出现今的治疗方法是多么苍白无力。

本发明提出一种用于癌症手术荧光导航和残癌示踪与清除的设备可在手术中进 行导航，术中残癌检测，在提高手术精准度的同时还能对手术周边的隐性癌和血液中的癌 残余进行光动力治疗，从而达到癌症手术治疗后无需采用放、化疗来防止癌变复发和转移 的目的，可能成为一种癌症治疗最安全又有效的方法，有利提高癌症患者生活质量和生存 率。

发明内容：

本发明的目的是在于在癌症手术中提供一种用于癌症手术荧光导航和残癌示踪 与清除的设备以解决目前癌症手术现场缺乏导航、术中残癌检测及时发现和清除设备和技 术的问题，这类设备对于生长在人体重要器脏上的肿癌治疗和术后复发率高，预后差的肿 瘤手术(如脑部胶质瘤)特别需要，因为这类设备的荧光导航可指示出肉眼难以区分的较精 确的肿瘤边界范围，提高手术切除范围的正确性，加上术中残癌检测和清除，能尽大的保留 患者器脏功能的前提下，更精确的全部切病变组织，改变以往没有导航，残癌示踪与清除设 备无法知道癌变组织是否还有残癌的存在，而造成术后预后性差，容易复发转移的悲惨局 面的出现。

为了达到上述的目的本发明的一种用于癌症手术荧光导航和残癌示踪与清除的 设备是由主机(1)，图像照明与采集器(2)，光动力治疗照射器(3)等三大装置所组成。图像 照明与采集器(2)通过手柄(15)搁置在主机(1)的托架上，光动力治疗照射器(3)安装上调 节支架(16)后可固定在主机(1)的升降棒上。其中：主机(1)有程序控制器(4)荧光-反射光 图像处理器(5)、图像显示器(6)、图像照明与治疗照明电源(7)等部件；图像照明与采集器 (2)的前端中心处有带镜头的彩色CCD摄像头(8)，外围套着用于二种照明的LED发光环(9)， 以及照明-采集控制模块(10)等部件；动力治疗照明器(3)中有由多个红光高亮度LED集成 片(11)，发光集成片前端有二片用来改善红光照射的均匀性的按一定规则列阵排列的集成 微透镜列阵(12)，发光集成片后端有强制风冷的风扇(13)以及光治疗控制模块(14)等部 件。

本发明的设备三大装置之间是用下列连接方式进行工作的，主机(1)中的程序控 制器(4)发出控制信号通过信号线A到达图像照明与采集器中的控制模块(10)，使LED发光 环(9)进行双光交替照明，照射在需做手术导航的肿瘤病灶上，在图像照明与采集器(2)中 的带镜头的彩色CCD摄像头(8)就能采集到二种不同光源照明的图像，通过传输线B送入主 机(1)中的荧光-反射光图像处理器(5)，荧光-反射光图像处理器(5)在接收由信号线C送来 的程序执行器(4)的同步信号后对二种不同光源照明的图像进行甄别分类，并分别在荧光- 反射光图像处理器(5)进行处理，生成表达肿瘤病灶形态真彩色图像和表达能区分肿瘤良 性与恶性的荧光伪彩色图像，并且设置好二个图像显示大小和位置后通过信号线D传送到 图像显示器(6)进行显示。主机上的图像照明与治疗照明电源(7)分别通过F、G二根连线向 图像照明与采集器的照明-采集控制模块(10)和光动力治疗照射器的光治疗控制模块(14) 进行供电。本发明的设备通过荧光导航为精准手术提供依据，在术中还能进一步检测残癌 进行示踪和清除。在进行残癌示踪和清除时，首先在手术中使用能对肿瘤组织产生光化学 反应的光敏剂，经过受体介导使有较多的光敏剂进入肿瘤细胞内，由于新生物组织对光敏 剂优势摄取，并较长时间滞留其内，光敏剂的肿瘤/正常组织浓度之比达12/1，然后由本设 备的图像照明与采集器(2)对肿瘤病灶进行检测，通过图像显示器(6)屏幕图像观察，发现 癌的残余碎块、脱落在血液中癌肿以及周围淋巴上的潜伏的浸润癌变后，在主机(1)的程序 控制器(4)中根据残存癌检测的信息设置光动力治疗所需的光照功率和光照时间，通过信 号线E发出指令到光动力治疗照射器的光治疗控制模块(14)，起动光动力治疗对残癌部位 进行照射治疗。

图像照明与采集器(2)的整体结构可为钟型、直筒型等多种类型设计，手柄可生在 的侧旁，也可生在顶部。图像照明与采集器(2)的前端中心处放置带有镜头的彩色CCD摄像 头(8)，彩色CCD摄像头前装备的镜头根据工作用途进行选择，常规用途采用自动调焦镜头 或用手动调焦、定焦镜头，超短距离工作用鱼眼镜头，长距离工作用望远镜头或用远心镜 头。

图像照明与采集器(2)在带有镜头的彩色CCD摄像头的四周有用于二种照明的LED 发光环(9)，LED发光环(9)由二种不同的LED发光管分布在一个光环，或多个光环上，二种不 同的LED在每一个光环上都是相间放置的，均匀对称排列，即是一种照明类型的LED，其旁边 一定是另一种照明类型的LED，有这等排列分布的LED光环才能满足二种不同的LED照明的 近似性和均匀性。

图像照明与采集器(2)中的照明-采集控制模块(10)放置在图像照明与采集器(2) 的后端，接受来自于程序控制器(4)的指令，使LED发光环(9)对肿瘤手术的肿瘤病灶进行交 替切换照明；照明-采集控制模块(10)还会根据采集到肿瘤图像的亮度高低对LED发光环 (9)中的二种照明LED的发光强度进行实时控制，以便使带有镜头的彩色CCD摄像头(8)的输 出图像始终处于亮度适中的最佳状态，不至于在进行近距离检测时图像曝光过度和远距离 检测时图像照明不足情况的发生。

荧光-反射光图像处理器(5)是一种集传统光学成像技术与非传统的荧光比值成 像技术为一体的图像多种专用的处理器。由具有“图像读取、图像分配、模数转换(A/D)、AOI 加速”的图像智能采集模块与时序控制器、DSP处理器、区域选取器、非线性检测器、像素分 析处理器、边缘与线识别处理器、图像网关等处理模块所构成。它能把图像照明与采集器 (2)传来的二种不同LED照明的图像进行甄别和处理，对反射光图像中采用轮廓加强数据方 法来重组图像，提高病灶形态图像表现效果，对荧光图像采用根据肿瘤良、恶性的判定标准 进行伪彩色加权来重组图像，将病灶癌变大小范围突出表现出来，有利提高癌症诊断的识 别能力。

荧光-反射光图像处理器(5)中荧光图像伪彩色加权是把正常组织图像的像素用 某种颜色，比如绿色表示，而癌变组织图像的像素的颜色可以进行任意设置，可用单一种颜 色表示癌变像素，也可用多种颜色去分别表示癌组织中不同恶变程度的像素。

荧光-反射光图像处理器(5)能对二个图像的显示格式作多种多样的编组设置，它 可以设置为二个图像平行排列显示，或是二个图像纵向排列显示，也可以进行一个图像小 而另一个图像大进行显示，二个图像的显示位置也可以进行互换等。

图像显示器(6)是将荧光-反射光图像处理器(5)输送出来的反射光重组图像和荧 光伪彩色重组图像按其设置的格式显示在屏幕上。

图像照明与治疗照明电源(7)是一种多种用途的稳压、恒流电源。图像照明与治疗 照明电源(7)为图像照明与采集器(2)和光动力治疗照射器(3)供电时，除了要有LED照明的 不同规格高稳定的恒流的电源外，还要为其各自的控制模块及其外围设备提供高稳定的不 同规格的稳压电源。

光动力治疗照射器(3)能输出强的红光照射残癌组织，使组织吸收的光敏剂受到 激发，而激发态的光敏剂又把能量传递给周围的氧，生成活性很强的单态氧，单态氧和相邻 的生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒性作用，进而导致细胞受损乃至死亡。光动力治疗 照射器(3)中所用的红光，波长为630nm±30nm，照射功率密度≤100mW/CM²，它是将若干数 量的高亮度的红色LED贴在容易散热的铝板上，编成LED集成片(11)；红色LED的数量与红光 输出的照射面积和功率密度有关。LED集成片(11)输出前方放置集成微透镜列阵(12)来改 善分列排列的LED的铝板发光的均匀性；LED贴片(11)后面是强制风冷的风扇(13)和光治疗 控制模块(14)，光治疗控制模块(14)是接受来自于主机上的程序控制器(4)的指令对光动 力治疗照射器(3)进行治疗照射控制。

光动力治疗照射器(3)中所用的红光，可采用激光进行代替。

光动力治疗照射器(3)安装调节支架(16)后是固定在主机能升降调节棒上，使光 动力治疗照射器(3)能围绕主机升降棒进行方向角度的自由调节；光动力治疗照射器(3)还 可以通过调节支架的伸缩，进行距离和位置的相对调整，来满足对患者任何部位残留肿瘤 治疗的需要。

程序控制器(4)是本发明设备进行各种操作的指挥中心，其功能是可以通过参数 设定同时向图像照明与采集器(2)和荧光-反射光图像处理器(5)发出指令，进行二种不同 类型的LED型进行交替照明，其交替照明的切换频率可根据图像显示器(6)的显示需要进行 设置，程序控制器(4)还能根据设备检测到的残留肿瘤状况，设置出对残留肿瘤清除治疗中 使用照光功率、照光时间等，并向光动力治疗照射器(3)发出指令对残留肿瘤进行光动力治 疗。

以上所述设备的主机(1)与图像照明与采集器(2)，光动力治疗照射器(3)之间是 采用信号线或连线相联进行相互控制的，这种结构的设备是本发明的优选方案之一，此外， 还有其它优选方案，其中有将设备中的主机(1)与图像照明与采集器(2)，光动力治疗照射 器(3)等三大装置之间进行无线相连的结构。

癌症手术荧光导航和残癌示踪与清除的设备的无线相连的结构：

1)首先需将图像照明与采集器(2)，光动力治疗照射器(3)采用内置电源供电，脱 离采用图像照明与治疗照明电源(7)有线供电模式，内置电源可采用环保高性能的轻型电 源；

2)程序控制器(4)的操作指令可通过无线传输设备，如红外遥控、蓝牙等各种未列 明无线传输技术分别对图像照明与采集器(2)，光动力治疗照射器(3)进行控制；

3)图像照明与采集器(2)和荧光-反射光图像处理器(5)之间的图像有线传输，可 改为图像无线传输形式，完成图像照明与采集器(2)与荧光-反射光图像处理器(5)之间图 像无线传送与通讯。

从而实现本发明的设备在主机(1)，图像照明与采集器(2)，光动力治疗照射器(3) 等三大装置之间的无线相连，增加设备使用的灵活性。在这一基础上，还可以将光动力治疗 照射器(3)在主机(1)的可升降棒上取下，安装在可移动的平台上，使本发明的设备按使用 癌症手术导航(包括残癌检测与示踪)功能与光动力治疗照射功能分成相对独立的二大部 分的装置，更为灵活。

本发明有益效果是：在手术中进行导航，残癌检测，可为实施手术精准治疗和手术 周边进行光动力治疗，清除隐性癌肿碎块和血液中的癌肿残余，为防止术后复发和转移做 出了实际的贡献，使广大癌症患者免除了术后化疗、放疗对身体所带来的严重伤害，为提高 癌症患者的生活质量和治愈率都起到积极的作用。

附图说明：

图1.本发明的癌症手术的荧光导航和残癌示踪与清除设备的总结构图.

图2，本发明癌症手术的荧光导航和残癌示踪与清除设备各部件之间连接图.

图3，本发明对手术病人实施荧光导航、残癌示踪与清除的临床效果展示图.

图4图像照明与采集器结构示意图.

图5，荧光-反射光图像处理器工作流程示意图.

图6，光动力治疗照射器结构示意图.

图7，光动力治疗照射器与主机无线连接的独立结构示意图.

图中标号：

1主机2图像照明与采集器3光动力治疗照射器4程序控制器

5荧光-反射光图像处理器6图像显示器7图像照明与治疗照明电源

8带有镜头的彩色CCD摄像头9LED发光环10照明-采集控制模块11LED集成片

12集成微透镜列阵13强制风冷的风扇14光治疗控制模块15手柄16调节支架

17蓝紫波段LED18白光LED19肿瘤病灶

具体实施方式：

本发明的设备按图1所示的结构由主机(1)，图像照明与采集器(2)，光动力治疗照 射器(3)等三大装置所组成。主机(1)上有程序控制器(4)、荧光-反射光图像处理器(5)、图 像显示器(6)、图像照明与治疗照明电源(7)等部件；图像照明与采集器(2)前端中心处有一 个带有镜头的彩色CCD摄像头(8)，外围套着用于二种照明的LED发光环(9)，以及照明-采集 控制模块(10)等部件；动力治疗照明器(3)中有由多个红光高亮度LED芯片组成的LED集成 片(11)，发光集成片前端有用来改善红光照射的均匀性的按一定规则列阵排列的集成微透 镜列阵(12)，发光集成片后端有强制风冷的风扇(13)以及光治疗控制模块(14)等部件。这 些部件之间是用图2所示的连接方式进行工作的，主机(1)中的程序控制器(4)发出控制信 号通过信号线A到达图像照明与采集器中的控制模块(10)，使LED发光环(9)发光进行双光 交替照明，照射在需做手术导航的肿瘤病灶上，肿瘤病灶上的双光照明图像由图像照明与 采集器(2)中的带有镜头的彩色CCD摄像头(8)采集，通过传输线B送入主机(1)中的荧光-反 射光图像处理器(5)，荧光-反射光图像处理器(5)在接收由信号线C送来的程序执行器(4) 的同步信号后对二种不同光源照明的图像进行甄别分类，并分别在荧光-反射光图像处理 器(5)进行处理，生成表达肿瘤病灶形态真彩色图像和表达能区分肿瘤良性与恶性的荧光 伪彩色图像，并进行二图像同屏显示格式的设置，通过信号线D传送到图像显示器(6)进行 显示，为精准手术提供依据。在术中若检测到残存癌肿后，可用本发明的设备进行清除，则 由设备中的主机(1)中程序控制器(4)通过信号线E发出指令到光动力治疗照射器的光治疗 控制模块(14)，起动光动力治疗器(3)中的LED集成片(11)发光对残癌部位进行照射治疗。 主机上的图像照明与治疗照明电源(7)分别通过F、G二根连线向图像照明与采集器的照明- 采集控制模块(10)和光动力治疗照射器的光治疗控制模块(14)进行供电，为设备的正常运 转提供保障。本设备的癌症手术的荧光导航和残癌示踪与清除的效果如图3所示。

图像照明与采集器(2)的整体结构为钟型设计如图4所示，

1)手柄生在钟型状的侧旁，也可生在钟型状的顶部。

2)罩钟的前端中心处放置带有镜头的彩色CCD摄像头(8)，彩色CCD有效像素≥30 万像素、镜头采用常规的自动调焦镜头，有效工作距离≥50mm。

3)在自动调焦镜头的彩色CCD摄像头(8)的四周有用于二种照明的LED发光环(9)， LED发光环(9)分二环分布，有白光LED若干，蓝紫波段LED若干，在二环中进行错位间隔式均 等分布如图2所示。白光LED色温6000-65000，功率1W-3W，电压3V；蓝紫波段LED功率1W-3W， 电压3V。

4)照明-采集控制模块(10)放在罩钟状的后端，接受来自于程序控制器(4)的指令 对二种照明的LED发光环(9)进行交替发光，对肿瘤手术的肿瘤病灶进行交替照明，交替切 换照明频率≤25HZ。

5)照明-采集控制模块(10)能根据采集图像的亮度大小产生控制信息对二种不同 类型的照明的LED的恒流电源的电流输出负反馈进行控制，使有镜头的彩色CCD摄像头(8) 采集到图像始终处在最佳照明状态下，避免图像忽明忽暗的采集效果的出现，电流负反馈 控制深度≤80％。

荧光-反射光图像处理器(5)由具有“图像读取、图像分配、模数转换(A/D)、AOI加 速”的图像智能采集模块与时序控制器、DSP处理器、区域选取器、非线性检测器、像素分析 处理器、边缘与线识别处理器、图像网关等处理模块所构成。在优选方案中，采用具有像图5 那样工作流程的FRI-RLIP多功能处理器，来承担传统光学成像图像与非传统的荧光比值成 像图像的处理。

在FRI-RLIP多功能处理器中，荧光伪彩色加权是采用单一颜色(如绿色)表示正常 组织；另外用单一颜色(如红色)表示癌变组织来生成荧光伪彩色图像。在FRI-RLIP多功能 处理器中图像显示格式是采用二个图像平行显示的排列格式，二个图像一样的大小，左为 反射光的病灶形态图像，右为病灶的荧光伪彩色图像的设置。

光动力治疗照射器(3)由图6所示的LED集成片(11)、集成微透镜列阵(12)、强制风 冷的风扇(13)和光治疗控制模块(14)构成。其中：

1)LED集成片(11)是由若干个高亮度发红光的LED的芯片贴在铝片上，红光LED发 光波长630nm±30nm，功率3W±0.5W，电压2.4V。

2)集成微透镜列阵(12)是由二片复眼透镜组成，平行放置，二片复眼透镜之间的 间隙等于复眼透镜焦距的二倍，然后将集成微透镜列阵(12)放在LED集成片(11)光输出的 前方位置上就能起到提高光的利用效率和光照均匀作用。

3)强制风冷的风扇(13)采用轴流散热风扇放置在LED集成片(11)的铝片后面进行 强制散热。

4)光治疗控制模块(14)放在强制风冷的风扇(13)的后面。接收程序控制器(4)的 指令对光动力治疗照射器(3)的LED集成片(11)发光进行治疗照射控制。

光动力治疗照射器(3)另一个优选方案是用1个或多个的半导体激光器代替。

程序控制器(4)由功能性的集成电路制作而成，采用周期40ms的方波电脉冲信号 控制图像照明与采集器(2)中的照明-采集控制模块(10)，使LED发光环(9)进行交替照明； 采用时钟电路设置时间间隔控制治疗照射器的光治疗控制模块(14)，使LED集成片(11)发 光，实现光动力的治疗照射。

图像照明与治疗照明电源(7)由多种规格的稳压、恒流电源组成。12V稳压电源向 图像照明与采集器(2)中带有镜头的彩色CCD摄像头(8)供电；同时也向光动力治疗照射器 (3)中强制风冷的风扇(13)供电；18V1A恒流电源向图像照明与采集器(2)中的照明-采集控 制模块(10)供电；24V7.5A恒流电源向光动力治疗照射器(3)中的光治疗控制模块(14)供 电。

图像显示器(6)采用显示器或监视器来显示由反射光-荧光图像处理器(5)送来的 图像。

另一种优选方案，癌症手术荧光导航和残癌示踪与清除的设备的无线相连的结构 型式：

1)图像照明与采集器(2)与主机无线连接是采用在图像照明与采集器(2)中采用 高性能的锂电池或电容储能电源等进行内置供电；在图像照明与采集器(2)与程序控制器 (4)之间的操作指令可通过编组开关型的无线信号进行遥控；在图像照明与采集器(2)中装 上高清无线图像传输发射模块，进行肿瘤采集图像的发射，由荧光-反射光图像处理器(5) 的图像输入装上高清无线图像传输接收模块进行接收，解决图像照明与采集器(2)与荧光- 反射光图像处理器(5)之间图像传送与通讯。这样就实现了图像照明与采集器(2)无线连接 的结构形型式。

2)将光动力治疗照射器(3)在主机(1)的可升降棒上取下，安装在有独立电源和能 设置光动力治疗参数的可移动的平台上，如图7所示那样，就能使光动力治疗照射器(3)与 主机(1)进行分离分成相对独立的二大部分的装置，使其使用更具有灵活性。

以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出若干的变换和改进，这些变换和改进也应视为 本发明的保护范围。