用于确定插入组织中的光学构件的光衰减的系统和方法与流程

1.本公开一般涉及在使用组织中的光纤执行医学治疗或诊断时确定组织中光衰减不均匀性的存在。更具体地，本公开涉及确定可能影响来自或到所述光纤的光传播的光纤处的血液聚集。特别地，本公开涉及在使用组织中的光纤或其他光学探针进行光动力疗法或激光热疗时确定由于血液聚集引起的光衰减以改进光剂量控制。


背景技术：

2.本公开涉及一种在使用组织中的光纤或其他光学探针执行基于光的治疗时改进光剂量控制的系统和方法。
3.在肿瘤疾病的医学治疗领域内，已经开发了多种治疗方式用于治疗恶性肿瘤疾病。手术、细胞抑制治疗、电离辐射治疗(伽马或粒子辐射)、同位素治疗和使用放射性针头的近距离放射治疗是常见治疗方式的例子。尽管在治疗方面取得了很大进展，但肿瘤疾病仍然是人类痛苦的主要原因，并且在西方国家造成了很高比例的死亡。光动力疗法(pdt)是一种治疗方式，为治疗领域提供了补充或替代方案。光活化剂，通常称为敏化剂，经皮肤、口服或局部给药于身体。它在恶性肿瘤中的积累程度可能高于周围健康组织。然后用非热红光照射肿瘤区域，通常来自激光，导致敏化剂激发到更高能量的状态。通过从激活的敏化剂到组织氧分子的能量转移，形成单线态氧和其他氧化物质。已知单线态氧对组织特别有毒；细胞被根除，组织坏死。由于敏化剂定位于肿瘤细胞，因此获得了独特的选择性，而周围的健康组织则不受此影响。
4.激光热疗是一种相关的治疗方式，它不使用光敏剂，而是通过更高的激光功率加热目标组织，并通过热效应导致组织死亡。
5.激活红光在组织中的有限穿透是pdt的一个缺点，激光热疗也存在类似的限制。结果是只能通过表面照射治疗表面肿瘤。为了治疗更厚更深的肿瘤，可以利用间质光传输。在这里，光导光纤被引入肿瘤，例如使用注射器针头，在它的管腔中放置了一根纤维。
6.为了实现有效的治疗，可以使用几种纤维来确定所有肿瘤细胞都受到足够的光剂量。已经证明可以实现组织的吸收和散射特性的剂量计算。例如，在专利ep1443855a1中描述了一种系统，其中使用多根纤维进行治疗以及测量从其他纤维穿过组织时到达给定纤维的光通量。通过这种方式，可以为肿瘤的所有部分实现正确光剂量的改进计算。
7.如前所述进行间隙照明时的一个问题是血液或其他物质可能会积聚在光纤的远端，这会使离开光纤的光衰减。这样做的后果是双重的：首先，衰减可能会降低治疗的预期效果，因为远离光纤的光剂量减少了；其次，通过光纤执行的任何光学测量都可能受到光衰减的影响.
8.因此，用于确定在放置在组织内的医用光纤处存在血液聚集的影响的新的改进装置和方法将是有利的。


技术实现要素：

9.因此，本公开的示例优选地通过根据所附的用于确定组织中光衰减的专利权利要求提供设备、系统或方法来寻求缓和、减轻或消除本领域中的一个或多个缺陷、缺点或问题，例如上述单独或任意组合。衰减可用于确定血液聚集在医疗光学构件处的影响，例如放置在组织内的光纤、波导、光源或光电二极管。
10.当光学构件被插入组织时，对组织的创伤可能导致在部件的尖端处或沿部件的长度积聚的出血。由于血液中的血红蛋白浓度很高，因此在可见光和红外波长下，血液的光吸收通常远高于组织的平均光吸收。因此，积聚的血液充当光吸收器，衰减来自光学构件的光发射。
11.本公开的一个目的是确定或估计光在组织中的衰减。本公开的另一个目的是确定或估计由放置在组织内的医疗光学构件处的不均匀性引起的光衰减，例如血液的积聚，其中构件发出光。这种不均匀性可能导致光的局部衰减，这可能需要加以考虑。为了确定或估计光的衰减，本公开通常包括两个步骤，其中第一步是执行光学测量以提供可用于推断光衰减的数据。当使用多个光学构件时，该步骤包括如果一次由一个构件或由某个构件集合发射光，并检测由距发射构件一定距离的其他构件收集的光。
12.第二步，通过使用基于模型的算法估计衰减来确定衰减。所述衰减可用于确定或估计由不均匀性引起的衰减，例如血液积聚。所述确定或估计通常通过求解逆问题来执行，其中来自第一步的测量数据集用作输入并且衰减值是输出。
13.需要强调的是，本公开不限于在进行恶性肿瘤的治疗时使用，而是可以用于使用光学构件进行组织治疗的任何情况，或者使用光学构件在组织中进行测量的任何情况。
14.使用所描述的确定或估计光衰减的方法的优点是提高了确定或估计的有效衰减系数和衰减值的准确度。确定或估计的有效衰减系数和衰减值的准确性意味着可以改进剂量测定。
15.还应该强调的是，在本说明书中使用的术语“包含/包含”用于指定所述特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、组件或组。
16.附图的简要说明
17.本公开的示例能够具有的这些和其他方面、特征和优点将从以下对本公开的示例的描述中变得明显和阐明，参考附图，其中
18.图1示出了插入组织(12)中的多个光学构件(11)，所述组织的特征在于具有在几何坐标r中表示为μ
s
(r)的光散射特性和表示为μ
a
(r)的光吸收特性；
19.图2示出了在均质组织模型中使用旧的评估方法(21)和新公开的方法(22)评估的光学特性(μ
eff
)，还显示了通过独立参考测量方法测量的μ
eff
值(23)；
20.图3示出了在与图2中使用的相同的同质组织模型中使用旧的评估方法(31)和新公开的方法(32)评估的衰减值；
21.图4示出了使用旧评估方法(41)和新公开的方法(42)对前列腺组织评估的光学特性(μ
eff
)；
22.图5示出了在与图4中使用的相同前列腺组织中使用旧评估方法(51)和新公开的方法(52)评估的衰减值。
具体实施方式
23.以下公开集中于适用于确定或估计组织中的光衰减的本公开的示例。本公开可适用于确定在医疗光学构件处光衰减不均匀性的存在的影响，所述医学光学构件例如放置在组织内的光纤、波导、光源和/或光电二极管。例如，这有利于确定血液聚集对放置在组织内部的医疗光学构件的影响。然而，应当理解，该描述不限于该应用，而是可以应用于许多其他系统，其中确定在放置在混浊介质内的医疗光学构件处的光衰减不均匀性的存在的影响。
24.考虑具有光散射和光吸收特性的组织，如图1所示。多个光学构件(11)，例如光纤、波导、光源和/或光电二极管，放置在组织(12)内部，用于主要目的是将光剂量传递到组织中，或对组织的光学特性进行测量。组织的光散射特性可以在几何坐标r中表示为μ
s
(r)。同样，光吸收特性表示为μ
a
(r)。由于一个或多个光源在组织中的任何点r中的光通量通常可以例如通过用于辐射传输的玻尔兹曼传输理论来描述。传输方程一般需要数值解。举例来说，在某些特定情况下存在传输方程的解析解。例如，在均匀介质中距点源距离为r处的光通量率，假设μ
s
(r)>>μ
a
(r)，可以表示为
25.φ(r)＝(4πdr)
‑1exp(
‑
μ
eff
r) (1)
26.其中μ
eff
＝[3μ
a
(μ
a
μ
s
)]
1/2
，并且d＝[3(μ
a
μ
s
)]
‑1。μ
eff
是有效衰减系数，d是扩散系数。因此，作为距光源距离的函数的注量率通常遵循某种类型的指数，由有效衰减系数μ
eff
确定。
[0027]
如果存在光衰减的不均匀性，与一般组织相比，吸收可能会增加或减少。如果在光学构件处发生出血，由于血红蛋白的高浓度，血液具有固有的高光吸收，因此聚集的血液将比一般组织吸收光的程度更高。假设血液仅在构件周围局部积聚，它将起到衰减从构件发出的光的作用(并且在用于测量的情况下衰减由构件收集的光)。衰减值a可以是合并到光通量率的表达式中：
[0028]
φ(r)＝a(4πdr)
‑1exp(
‑
μ
eff
r) (2)
[0029]
其中0≤a≤1。假设整个组织体积可以近似为均匀的，除了存在不均匀性，例如每个构件的局部出血，并且每个构件都被认为是一个点源，这给出了每个构件的一组衰减值a
i
，其中构件的索引i＝1..n。
[0030]
为了确定衰减值a
i
，第一步可以是执行一组测量，其中一个构件一次发射光，而其他构件收集被测量的光。需要说明的是，该方法不限于一个构件的一次发射，所有其他构件收集的情况，其他测量方案也是可能的，例如使用所有发射构件的子集，或收集的所有构件的子集，或这些构件的组合。
[0031]
在构件i发光的情况下，构件i 1测量产生的光通量，测量的光功率可表示为
[0032]
p
i,i 1
＝p
i
k
i 1
a
i
a
i 1
(4πd
i
r
i,i 1
)
‑1exp(
‑
μ
eff(i)
r
i,i 1
) (3)
[0033]
其中p
i
是构件i发出的光功率，k
i 1
是将注量率转换为构件i 1收集的功率的转换因子，r
i,i 1
＝|r
i 1
‑
r
i
|是构件i和i 1之间的距离。可以假设因子k对于所有构件都相同，或者，每个构件都已知，或者在所有构件之间相对已知。
[0034]
测量步骤提供了一组测量值，在本例中可以表示为：
[0035]
(p
1,2
[0036]
p
1,3
[0037]
...
[0038]
p
1,n
[0039]
p
2,1
[0040]
p
2,3
[0041]
...
[0042]
p
n,n
‑1) (4)
[0043]
在下一步中，该数据集可用于确定衰减值a
i
。当将此数据集与eq.3，得到一个非线性方程组，衰减值a
i
，光学特性d和μ
eff
，作为未知数：
[0044]
p
i,j
＝p
i
k
j
a
i
a
j
(4πd
i
r
i,j
)
‑1exp(
‑
μ
eff(i)
r
i,j
) (5)
[0045]
该方程组可以使用非线性求解方法求解，例如包括但不限于牛顿型方法、levenberg
‑
marquardt方法或置信域方法。请注意，通常方程组可能是超定的或欠定的。光学特性d和μ
eff
可以被视为未知数，也可以从先验知识中假设为已知。
[0046]
方程5可以线性化，例如，通过取两边的对数：
[0047]
ln(r
i,j
p
i,j
)＝ln(a
i
) ln(a
j
) ln(p
i
k
j
(4πd
i
)
‑1)
‑
μ
eff(i)
r
i,j (6)
[0048]
通过假设μ
a
<<μ
s
并且μ
s
是已知且恒定的，我们得到
[0049]
ln(r
i,j
p
i,j
)
‑
ln(p
i
k
j
(4π3μ
s
)
‑1)＝ln(a
i
) ln(a
j
)
‑
μ
eff(i)
r
i,j (7)
[0050]
方程7表示具有未知数a
i
和μ
eff(i)
的线性方程组。该系统可以通过用于求解线性方程组的常规方法来求解，例如在系统欠定或超定的情况下的最小二乘法。
[0051]
为了获得衰减值a
i
，必须校准测量系统以测量绝对值的注量率。在实践中，这种条件可能无法实现。在只有注量率的相对测量值可用的情况下，仍然可以评估该值a
i
，但只能以相对方式进行评估。归一化后可以使用相对衰减值。例如，可以对值a
i
进行归一化，以便将具有最小衰减的a的值设置为1。这是一种保守的方法，因为衰减通常会被低估，因此产生的光剂量也将被低估。其他归一化方法也是可能的，例如基于对特定情况预期的正常衰减范围的先验知识。
[0052]
在其他示例中，本公开可以不限于在先前描述中应用的条件和近似。在下文中，描述了一些其他示例。
[0053]
在一个示例中，光学构件可以不是点源而是分布式源，例如漫射器，例如具有漫射器的光纤。使用漫射器时，可能需要使用卷积。然后可以使用与上述相同的方法来计算有效衰减系数和衰减值，但它可能会变得更加复杂。然后可以应用有限元方法(fem)来解决复杂性。或者，漫射器可以近似为分布在漫射器尺寸上的多个点源。
[0054]
在一个示例中，光学构件可能不用于光传输，而是将光源直接定位在组织内部。光源可以是光电二极管，例如发光二极管(led)或激光二极管。
[0055]
在一个示例中，光学构件可以不用于光收集和检测，而是光检测器可以直接定位在组织内部。光检测器可以是例如光电二极管、光电倍增管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件或cmos光敏器件。
[0056]
在一个示例中，可以不假设介质具有均匀的光学特性，而是可以基于先验知识进行建模。例如，可以基于组织的解剖结构假设介质具有不同光学特性的区域。组织的解剖结构可能基于成像数据，例如x射线、超声或磁共振成像而获知。可以基于先验数据预先知道每个区域的光学特性，或者可以在非线性求解器中连同衰减值一起求解光学特性。
[0057]
在一个例子中，光通量率的模型可能不是基于解析方程，而是可以使用数值方法来求解传输方程。此类方法的示例是有限元方法、离散坐标方法或蒙特卡罗模拟。
[0058]
在一个示例中，通过光谱测量获得的光谱信息，例如多波长或白光，可用于改进模型以进一步改进结果。通过使用组织生色团(例如血红蛋白、氧合血红蛋白、水和脂质)的已知吸收光谱，在多个波长处进行的测量可用于约束模型以获得衰减值和光学特性的准确结果。
[0059]
在一个示例中，该方法的目的不仅可以是确定衰减值a
i
，还可以确定组织的一般光学特性、光散射和光吸收。
[0060]
在一个示例中，该方法的目的不仅可以是确定由于组织中的不均匀性引起的衰减，而且还可以确定执行测量的光学系统中的损耗。通过这种方法，可以快速有效地校准系统的光损失。然后可以增加光以补偿光在系统中或用于将光传输到组织和从组织传输的纤维中的衰减。
[0061]
在此描述的任何方法或确定或计算可以在控制单元、数据处理设备或计算设备上实施。计算机实现可以作为要在控制单元、数据处理设备或计算设备上执行的计算机程序或软件来完成。
[0062]
在此描述的任何方法或确定或计算可以由控制单元、数据处理设备或计算设备执行。控制单元、数据处理设备或计算设备可以连接到光学检测系统或者是独立单元。
[0063]
控制单元、数据处理设备或计算设备可以通过运行在一个或多个通用或专用计算设备上的专用软件(或固件)来实现。在该上下文中，应当理解，这种计算设备的每个“元件”或“装置”指的是方法步骤的概念等价物；元件/装置与特定硬件或软件例程之间并不总是一一对应。一件硬件有时包括不同的装置/元件。例如，处理单元在执行一条指令时用作一个元件/装置，而在执行另一条指令时用作另一元件/装置。此外，一个元件/装置在某些情况下可以由一个指令实现，但在其他一些情况下可以由多个指令实现。这种软件控制的计算设备可以包括一个或多个处理单元，例如，处理单元。cpu(“中央处理单元”)、dsp(“数字信号处理器”)、asic(“专用集成电路”)、离散模拟和/或数字组件或其他一些可编程逻辑设备，例如fpga(“现场可编程门阵列”)。控制单元、数据处理设备或计算设备还可以包括系统存储器和将包括系统存储器的各种系统部件耦合到处理单元的系统总线。系统总线可以是多种类型的总线结构中的任何一种，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线和使用多种总线架构中的任何一种的本地总线。系统存储器可以包括易失性和/或非易失性存储器形式的计算机存储介质，例如只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)和闪存。专用软件可以存储在系统存储器中，或存储在计算设备中包含或可访问的其他可移动/不可移动易失性/非易失性计算机存储介质上，例如磁介质、光介质、闪存卡、数字磁带、固态ram、固态rom等数据处理设备可以包括一个或多个通信接口，如串行接口、并行接口、usb接口、无线接口、网络适配器等。.，以及一个或多个数据采集设备，例如a/d转换器。专用软件可以在任何合适的计算机可读介质上提供给控制单元或数据处理设备，包括记录介质和只读存储器。
[0064]
在本公开的一个但非限制性方面，描述了一种用于确定插入组织中的光学构件处的光衰减和/或组织的光学特性，例如光散射特性和/或光吸收特性的系统。该系统可以包括至少两个光学构件，该光学构件被配置为插入到组织中，例如间质插入。至少两个光学构件可以被配置用于发射和/或收集光。该系统还可以包括控制单元，该控制单元被配置为控
制至少两个光学构件，使得光从至少一个光学构件传输到组织并且通过收集光的至少一个光学构件从组织检测光。这可以产生成对的发射和收集光学构件的测量值的数据集。
[0065]
控制单元还可以被配置为通过使用测量值的数据集来定义使用光在组织中传播的数学模型的方程组来确定光学构件处的衰减值和/或组织的光学特性。方程组可由控制单元通过使用数值求解方法来求解。
[0066]
该系统可以利用本文公开的任何方法来确定或估计光学构件处的衰减值和/或组织的光学特性。
[0067]
在一些示例中，系统可以包括多个光学构件。在一些示例中，一次一个单独的构件可以发光，并且所有其他构件收集。或者，在一些示例中，其他测量方案也是可能的，例如使用所有发射构件的子集，或所有收集构件的子集，或这些的组合。
[0068]
在系统的一些示例中，所确定的光学构件处的衰减值和/或组织的光学特性可用于计算光动力疗法或激光热疗的光剂量。
[0069]
在系统的一些示例中，控制单元可以被配置为使用在光学构件处确定的衰减值和/或组织的光学特性用于光动力疗法或激光热疗的光剂量递送。
[0070]
在系统的一些示例中，光学构件可以是光纤或具有漫射器的光纤。光学构件可将发射光从光源传送到组织并将收集的光传送到检测器。光源和检测器可以是本文公开的任何类型的光源和检测器。
[0071]
在系统的一些示例中，光学构件可以是被配置为布置在组织中的光电二极管，例如间隙地布置在组织中。
[0072]
在系统的一些示例中，光学构件可以被配置为发射多种波长的光。此外，控制单元可以被配置为在求解方程组时使用光谱检测和组织生色团的已知吸收光谱来约束解。
[0073]
在系统的一些示例中，光在组织中传播的数学模型可以基于玻尔兹曼传输方程。
[0074]
在系统的一些示例中，测量值的数据集可以是测量的光功率，并且光在组织中传播的数学模型可以用于表达测量的光功率以建立待基于数据集求解的方程组对发射和收集光学元件的测量光功率的测量。
[0075]
在系统的一些示例中，在光在组织中传播的数学模型中，光学构件处的衰减值和组织的光学特性可能是未知的。
[0076]
在系统的一些示例中，可以使用牛顿型方法、levenberg
‑
marquardt方法或置信域方法作为方程组的非线性数值求解方法。
[0077]
在系统的一些示例中，可以使用最小二乘法作为线性化方程组的线性数值求解方法。
[0078]
在本公开的一个但非限制性方面，公开了一种用于确定插入组织中的光学构件处的光衰减和/或组织的光学特性，例如光散射特性和/或光吸收特性的方法。该方法可以包括控制至少两个光学构件，使得光可以从至少一个光学构件传输到组织，并且可以通过收集光的至少一个光学构件从组织检测光。这可用于产生发射和收集光学构件对的测量值的数据集。该方法还可以包括通过使用测量值的数据集来定义使用光在组织中传播的数学模型的方程组并求解以下系统，从而确定光学构件处的衰减值和/或组织的光学特性，并通过使用数值求解方法求解方程。
[0079]
光在组织中传播的数学模型和数值求解方法可以是这里描述的任何模型或方法。
[0080]
在一些示例中，该方法可以包括基于所确定的光学构件处的衰减值和/或组织的光学特性来计算用于光动力疗法或激光热疗的光剂量。
[0081]
在一些示例中，该方法可以包括控制光剂量递送到光动力疗法或激光热疗。
[0082]
在该方法的一些示例中，光在组织中传播的数学模型可以基于玻尔兹曼传输方程。
[0083]
在该方法的一些示例中，测量值的数据集可以是测量的光功率，并且光在组织中传播的数学模型可以用于表达测量的光功率以建立待基于数据集求解的方程组对发射和收集光学元件的测量光功率的测量。
[0084]
在该方法的一些示例中，可以使用牛顿型方法、levenberg
‑
marquardt方法或置信域方法作为方程组的非线性数值求解方法。
[0085]
在该方法的一些示例中，可以使用最小二乘法作为线性化方程组的线性数值求解方法。
[0086]
这里描述的任何方法都可以是计算机实现的方法。
[0087]
在本公开的一些方面是用于确定插入组织中的光学构件处的光衰减和/或所述组织的光散射特性和光吸收特性的计算机程序。计算机程序可以包括指令，当计算机程序由计算机执行时，该指令执行本文描述的方法中的任一个的步骤。
[0088]
示例
[0089]
本公开中的方法应用于从前列腺组织的pdt系统，具有idose，j.swartling等人的“在线剂量测定的间质光动力治疗系统
‑
前列腺癌的首次临床经验，j biomed opt.15,058003(2010)”的spectracure p18系统获得的测量数据。。该系统使用18个单独的光学构件，可用于治疗性pdt光传输，或用于组织的光学光谱测量以进行剂量规划。
[0090]
为了获得衰减值，对系统进行校准，以便知道每个光学构件的转换因子k。这是通过使每个构件在光收集模式下接受参考组织模型中已知的光通量(w/cm2)并在内部光谱仪上记录相应读数来完成的。
[0091]
测量数据是通过将光学元件插入组织模型(水、脂肪和墨水的混合物)中来获得的，该组织模型在测量波长690nm处具有类似于组织的散射和吸收特性。系统通过循环遍历发射和收集构件的所有组合来执行测量，产生一组测量值
[0092]
(p1,2
[0093]
p1,3
[0094]
...
[0095]
p1,18
[0096]
p2,1
[0097]
p2,3
[0098]
...
[0099]
p18,17) (5)
[0100]
然后对该数据集进行衰减值和光学特性的评估。为了证明新评估方法带来的改进，计算了使用旧模型的相应结果以进行比较。在旧模型中，光学特性μ
eff
被简单地确定为每个构件周围log(p)的斜率，它是r的函数(方程3的对数)。然后根据从最小二乘法解到测量数据的μ
eff
值的偏差来估计衰减值。
[0101]
μ
eff
的实际值是使用飞行时间光谱独立测量的，以供参考。
[0102]
图2显示了每个发射器构件的μ
eff
值，使用旧方法和新方法。还显示了通过参考测量获得的值。由于组织体模是同质的，因此每个构件的结果应该是相同的。显然，与旧方法相比，新方法的结果有了很大改善。
[0103]
图3显示了每个发射器构件的衰减值，使用旧方法和新方法。在这种情况下，实际衰减值没有参考值，这是由从体模到检测系统的光学构件线中的损耗造成的。然而，很明显，使用旧方法，这些衰减损耗的一部分将转化为μ
eff
评估中的错误，因此不能期望使用旧方法评估的衰减值是正确的。
[0104]
在另一个示例中，该算法被应用于在临床情况下对体内前列腺组织进行的实际测量。测量的方式采用与j.swartling等人的“在线剂量测定的间质光动力治疗系统
‑
前列腺癌的首次临床经验，j biomed opt.15,058003(2010)”相同的方式。该数据集再次基于18个光学构件。
[0105]
图4显示了每个发射器构件的前列腺组织的μ
eff
值，使用旧方法和新方法。与新算法相比，旧算法在获得的值中显示出更多的变化。旧算法得到的值也普遍高于新算法得到的值。
[0106]
图5显示了每个发射器构件在前列腺中的衰减值，使用旧方法和新方法。在此示例中，衰减值通常低于同质模型示例中的值，这是预期的，因为前列腺组织中会出现出血，导致衰减增加。
[0107]
上面已经参考具体实施例描述了本发明。然而，在本公开的范围内，除上述之外的其他示例同样是可能的。在本发明的范围内可以提供与上述那些不同的方法步骤，通过硬件或软件来执行该方法。本发明的不同特征和步骤可以以不同于所描述的那些组合的方式组合。本公开的范围仅受所附专利权利要求的限制。
[0108]
在说明书和权利要求中使用的不定冠词“一个”和“一个”，除非明确指出相反，否则应理解为“至少一个”。说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为表示如此结合的要素中的“一个或两个”，即在在某些情况下同时存在，而在其他情况下则有30个分离存在。