純氧及LED陣列光動力復合治療設(shè)備的研制

黃仁祥，王小輝，郭南萍，林珊莉，邊艷香，王炎，周宇暉

1.廣州美銳健康產(chǎn)業(yè)股份有限公司，廣東廣州510555；2.廣州生物工程中心，廣東廣州510630

前言

光動力療法（Photodynamic Therapy,PDT）是聯(lián)合應用特定波長照射光、內(nèi)源性或外源性光敏劑和氧分子，通過光動力學反應選擇性破壞病變組織，達到治療目的的一種無創(chuàng)或微創(chuàng)治療技術(shù)，在醫(yī)療、醫(yī)學美容領(lǐng)域得到了廣泛應用［1-9］。影響光動力療效的因素主要涉及3 個方面：光源、光敏劑和氧分子［10］。近年來，隨著不同波長高功率發(fā)光二極管（LED）的迅速發(fā)展，基于LED 開發(fā)的各種新型光源已成功應用于臨床PDT治療［11-14］。然而，光動力療法在治療過程中“乏氧”嚴重影響PDT 療效是臨床公認原因，近幾年國內(nèi)外學者開始著力研究氧在光動力治療機制中的作用，明確氧分子作為光動力反應是必不可少的反應物，在PDT中起著不可或缺的重要作用［15-17］。但這些研究僅停留在理論上，在實踐應用中依然是通過臨床輔助給藥、調(diào)整光劑量、間斷性輻照等手段來保持治療區(qū)域的富氧狀態(tài)［15］。目前國內(nèi)外尚無人從光動力治療設(shè)備方向解決光動力的乏氧問題。針對上述不足，本文研制了純氧及LED 陣列光動力復合治療設(shè)備。該設(shè)備一方面基于變壓吸附（PSA）制氧原理生產(chǎn)純氧，通過噴氧、注氧、吸氧以及純氧與光照射同步輸出等多種外源性給氧手段，保持光動力治療區(qū)域的富氧狀態(tài)，提高單態(tài)氧產(chǎn)量，解決由于乏氧影響光動力療效的問題。另一方面采用微透鏡陣列多光譜LED 發(fā)光器件與二次透鏡陣列相結(jié)合構(gòu)建輻照器光源系統(tǒng)［18］，解決現(xiàn)有技術(shù)采用LED 陣列排布替代激光器作為光動力治療光源時存在的光能利用率低、光功率密度分布不均勻、不同波長光束在目標靶面光照功率密度分布曲面差異大等缺陷，充分發(fā)揮LED 發(fā)光器件具有體積小、重量輕、壽命長、價格便宜、光源帶寬窄、能同時產(chǎn)生多個不同峰值波長發(fā)射光等一系列優(yōu)勢。此外，設(shè)備還采用光排序輻照技術(shù)，通過優(yōu)化關(guān)聯(lián)光照參數(shù)使得治療區(qū)域組織能夠充分利用光照射暗周期時間，通過身體自身血液循環(huán)反復補充血管氧含量。

1 總體設(shè)計方案

所研制設(shè)備總體框圖如圖1所示。設(shè)備由主機和與主機相連接的氧/光復合輻照器及多種外源性給氧附件組成，其中主機包括控制單元、PSA制氧單元、光源驅(qū)動單元、氧濃度檢測單元、人機交互單元、WiFi通訊單元以及電源單元等部分。各部分在系統(tǒng)軟件的控制下協(xié)調(diào)工作，完成人機交互、參數(shù)設(shè)置、治療參數(shù)檢測以及輸出控制，從而實現(xiàn)設(shè)備的設(shè)計功能。

圖1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall structure diagram of the device

氧/光復合輻照器由光源以及若干均勻分布于輻照器出光面上的氧噴嘴陣列等部分組成，其中光源包括625 nm 紅光、465 nm 藍光和520 nm 綠光。輻照器通過3D 阻停自動懸吊臂［19］與主機進行機械定位和電/氣連接，方便患者采用坐姿或臥姿接受治療，同時容易實現(xiàn)輻照器與患者治療區(qū)域間距離的調(diào)整，使其處在所期望距離的位置上。在輻照器對患者體表進行光照射的同時，PSA制氧單元所產(chǎn)生的純氧通過氧噴嘴陣列向光照射區(qū)域噴射。

多種外源性給氧附件包括了對全氟碳化合物攜氧液等常用輔助藥物進行水合霧化噴射的噴氧槍、進行純氧無針注射的單頭/三頭注氧手具和進行呼吸道給氧的鼻罩式吸氧器。附件用于在光照射治療前的體表皮膚給氧和光照射治療期間的呼吸道給氧。

控制單元對PSA 制氧單元進行控制，使其利用自然界中的空氣為原料，通過分子篩升壓吸附-降壓脫附的循環(huán)過程，連續(xù)生產(chǎn)出純度大于90%的氧氣。所制造氧氣在控制單元的控制下分別被送到主機外殼上的噴氧、注氧、吸氧和輻照器噴氧孔輸出接口。

控制單元對光源驅(qū)動單元進行控制，產(chǎn)生紅光、藍光和綠光光源熄滅/點亮信號，驅(qū)動輻照器內(nèi)的光源實現(xiàn)一種波長或多種波長輻照光同時或循環(huán)交替地對患者體表皮膚進行連續(xù)或間歇的光排序照射，且對照射光輸出強度能夠進行1～10檔的有級調(diào)節(jié)。

氧濃度檢測單元由電化學氧氣濃度傳感器和檢測電路組成。所形成的V/F 信號被送至控制單元完成對PSA 制氧單元所制造氧氣濃度的實時檢測，結(jié)果數(shù)值被送至人機交互單元顯示。

基于STC 系列單片機為核心控制芯片的控制單元采用串口通訊與人機交互單元的智能顯示終端連接，智能顯示終端為8 寸具有觸摸功能的800×600 TFT 顯示屏?？刂茊卧ㄟ^傳送HMI 指令調(diào)用存儲在智能顯示終端內(nèi)部FLASH上設(shè)計好的圖片和圖標實現(xiàn)用戶界面（UI）顯示，顯示方案具有UI設(shè)計簡單、產(chǎn)品穩(wěn)定等優(yōu)點。

WiFi 通訊單元采用USR-C215UART-WiFi 模塊，該模塊在硬件上集成了MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元以及功率放大器，支持WiFi 協(xié)議以及TCP/IP 協(xié)議，實現(xiàn)設(shè)備與智能終端或服務器建立有線或無線鏈接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2 氧/光復合輻照器

氧/光復合輻照器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。輻照器由面光源和二次透鏡組成的光學系統(tǒng)、氧氣噴嘴陣列、距離傳感器以及距離檢測電路構(gòu)成。其中，前光學透鏡陣列位于面光源出光面的前面，兩者間距離3～5 mm；后光學透鏡陣列位于前光學透鏡陣列的前面，兩者距離為15 mm，三者相互平行。前、后光學透鏡陣列上的各小透鏡的中心重合且各邊一一對應。

圖2 氧/光復合輻照器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of oxygen&light complex irradiator

光學系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)如圖3所示。若干數(shù)量的微透鏡陣列多光譜LED 發(fā)光器件［20］呈正交陣列排布在線路板上構(gòu)成一個面光源。由每個多光譜LED 發(fā)光器件產(chǎn)生不同波長的平行準直且光斑均勻的細光束構(gòu)成面光源的寬光束。當寬光束入射到前光學透鏡陣列上時，前光學透鏡陣列上的多個小透鏡將入射的寬光束分裂成與小透鏡數(shù)量相同的多條小光束，此時每條小光束范圍內(nèi)的均勻性優(yōu)于寬光束范圍內(nèi)的均勻性。后光學透鏡陣列上的每一個透鏡將前光學透鏡陣列上對應小透鏡出射的光重新聚集后出射到目標靶面上，各光斑在目標靶面相互疊加且不均勻性相互補償，從而實現(xiàn)目標靶面的均勻輻照［18］。上述光路結(jié)構(gòu)不僅提高光動力治療用光源的取光效率、改善光照均勻度，而且使不同波長光在有效照射區(qū)域內(nèi)的光照功率密度分布曲面高度相似。

圖3 輻照器光學系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)Fig.3 Optical stru cture of the optical system of irradiator

氧/光復合輻照器的內(nèi)部分解結(jié)構(gòu)如圖4a 所示。140 個微透鏡陣列多光譜LED 發(fā)光器件按橫向間距9 mm、縱向間距9 mm，構(gòu)成20×7 陣列，排布在201 mm×65 mm 的線路板1上，六件線路板按左、中、右3 個區(qū)域分段平面緊密排布組成200 mm×400 mm面光源。前、后光學透鏡陣列3、4外形呈現(xiàn)為多段平面外形，平面上緊密陣列排布具有相同光學參數(shù)的矩形小透鏡。其中，小透鏡尺寸為5.8 mm×3.4 mm，小透鏡X 方向半寬2.9 mm，Y 方向半寬1.7 mm，焦距15 mm。采用聚甲基丙烯酸甲酯材料，通過模具加工方案加工。在裝配時，三者間的距離精確度及相互平行度由輻照器外殼6 上所設(shè)置的各自安裝位精度決定。圖4b 所示是輸出625 nm 照射光時的氧/光復合輻照器樣機。

圖4 氧/光復合輻照器分解結(jié)構(gòu)和樣機Fig.4 Decomposition structure and prototype of oxygen&light complex irradiator

如圖4a 所示，在前、后光學透鏡陣列3、4 的左、中、右3 個區(qū)域相同位置各開一排通孔，通孔的數(shù)量與氧氣噴嘴陣列2上的噴嘴數(shù)量相同，直徑略大于噴嘴的外徑。氧氣噴嘴自上而下穿過前、后光學透鏡陣列3、4 的上述通孔。氧氣噴嘴陣列2 通過氣管相互連接后與設(shè)置于輻照器外殼6上的進氣接口相連。此外，安裝在輻照部外殼6 左右兩側(cè)的風扇5 對光源產(chǎn)生的熱量進行冷卻。

圖2所示中距離傳感及距離檢測電路用于測量輻照器出光面與患者治療區(qū)域表面間的距離，采用數(shù)字式微型激光測距模塊，測距精度±1.0 mm。實時測量的距離值以BCD 碼格式通過主機上UART 接口傳送給控制單元?？刂茊卧鶕?jù)實時測量距離值查找預先存儲標定的距離-光照功率密度關(guān)系數(shù)據(jù)庫，并采用線性插值方法計算出該距離下的光照功率密度。由于LED 發(fā)光器件具有使用壽命長、光強衰減小的優(yōu)點，因此上述通過標定測量建立的距離-光照功率密度關(guān)系數(shù)據(jù)庫可以較為長期地存儲在控制單元中，實現(xiàn)通過對距離的測量間接完成患者治療區(qū)域各峰值波長照射光的光照功率密度值的準確測定。與采用在患者治療區(qū)域設(shè)置光傳感器或電荷耦合元件進行光照功率密度實時檢測比較，該間接光照功率密度檢測方案不會對治療部位產(chǎn)生局部的照射光遮擋，而且使用過程簡易。對距離-光照功率密度進行重新標定測量后所建立的關(guān)系數(shù)據(jù)庫是通過主機內(nèi)WiFi通訊單元與智能終端或服務器建立有線或無線鏈接后進行更新。

3 PSA制氧單元

主機內(nèi)的PSA 制氧單元結(jié)構(gòu)框如圖5所示。自然界中的空氣經(jīng)進氣消音/過濾器被送到壓縮機加壓，所產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)冷卻器進行冷卻。冷卻氣體經(jīng)去水器去除水分后進入氣源分配器。氣源分配器對左、右吸附塔內(nèi)的分子篩進行升壓吸附-降壓脫附的循環(huán)過程控制，連續(xù)生產(chǎn)出純度大于90%的氧氣。氧氣被收集到儲氧桶內(nèi)，而脫附產(chǎn)生的氮氣經(jīng)排氮/消音器排出?？刂茊卧x擇性地對噴氧、注氧、吸氧及輻照器噴氧孔電磁閥進行通斷控制，實現(xiàn)將氧氣分別送到主機外殼上的噴氧、注氧、吸氧或輻照器噴氧孔輸出接口。

當設(shè)備選擇注氧輸出時，圖5中的注氧電磁閥在控制單元控制下產(chǎn)生間歇閉合與關(guān)斷動作，其中，閉合時間50～250 ms，重復周期0.1～10.0 s。在注氧電磁閥閉合時，儲氧桶內(nèi)的純氧被送至連接在主機上的單頭/三頭注氧手具。由于注氧手具注射頭的內(nèi)孔徑突然變小，在其前端與皮膚接觸表面之間產(chǎn)生瞬間壓力大于0.22 MPa 的純氧氣流。在壓力作用下，涂覆于皮膚表面的攜氧液被滲透至皮膚毛孔及表皮細胞間隙內(nèi)。

圖5 PSA制氧單元結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure diagram of PSA oxygen generation unit

如圖5所示，在左、右吸附塔上方的帶節(jié)氣閥管路使得左、右吸附塔彼此氣路相通。其作用是利用一個吸附塔所產(chǎn)生的小部分氧氣對另一個處于泄壓排氮狀態(tài)的吸附塔進行回充，使得其氮氣的解析更加充分。

冷卻器采用翹片式銅管氣體散熱器，并同時使用冷卻風扇對翹片進行風冷。設(shè)置在冷卻器后端的去水器對氣體進行脫水處理，冷卻氣體中的水滴顆粒被收集到去水器中的密閉容器。當收集水量達到預先設(shè)定值時，冷卻器自動將容器內(nèi)的水排出。

氣源分配器采用專利號為“ZL 201110422725.6”所公布的“一種用于PSA 制氧儀的氣源分配器”［21］。與現(xiàn)有采用電磁閥組為核心的氣源分配器比較，該氣源分配器不僅結(jié)構(gòu)簡單、成本低、故障少，而且其優(yōu)化設(shè)計的吸附-解析時間周期能夠大大提升制氧效率。

PSA 制氧單元樣機如圖6所示，其所產(chǎn)生純氧在流量0.5～3.0 L/min 時，氧濃度為95%±3%；在氧濃度為90%時，氧流量最大可達（8.0±0.5）L/min。

圖6 PSA制氧單元樣機Fig.6 Prototype of PSA oxygen generation unit

4 光排序輻照模式

設(shè)備通過光排序輻照模式優(yōu)化關(guān)聯(lián)光照參數(shù)，達到充分利用自身血液循環(huán)反復補充治療區(qū)域血管氧含量和發(fā)揮多光譜光動力治療的優(yōu)勢。圖1中的控制單元依據(jù)人機交互選擇的照射光波長、光排序輻照模式和輸入的光功率密度、光劑量等參數(shù)，計算達到設(shè)定的光劑量所需要的治療時間并形成光源控制信號。

4.1 第一光排序輻照模式

第一光排序輻照模式是指一種波長的照射光對治療區(qū)域進行連續(xù)或重復間歇照射，直至達到設(shè)定光劑量，停止該波長光對治療區(qū)域的照射。

控制單元在第一光排序輻照模式下產(chǎn)生的光源控制信號如圖7所示，Toff為暗周期時間，照射光處于熄滅狀態(tài)；Ton為亮周期時間，照射光處于脈寬調(diào)制下的點亮狀態(tài)；f為對照射光進行脈寬調(diào)制的頻率；ton為脈寬調(diào)制的光照射時間，通過對ton的控制實現(xiàn)照射光輸出強度1～10檔的有級調(diào)節(jié)；tc為該波長的照射光使治療區(qū)域達到設(shè)定的光劑量所需要的治療時間。

圖7 第一光排序輻照模式下照射光控制信號Fig.7 Illumination-controlled signals in the first light sorting irradiation mode

4.2 第二光排序輻照模式

第二光排序輻照模式是至少具有兩種波長的照射光同時對治療區(qū)域進行連續(xù)或重復的間歇照射，當其中一種波長光的光劑量達到其預先設(shè)定值時，停止該波長光的照射，另一波長光繼續(xù)對治療區(qū)域進行照射，直至達到其預先設(shè)定的光劑量。

控制單元在第二光排序輻照模式下產(chǎn)生的光源控制信號如圖8所示，tc1、tc2和tc3分別為第一、第二和第三種波長的照射光使治療區(qū)域達到預設(shè)的光劑量所需要的治療時間。第二光排序輻照模式下所需要的治療時間tc=Max(tc1，tc2，tc3)。

圖8 第二光排序輻照模式下照射光控制信號Fig.8 Illumination-controlled signal in the second light sorting irradiation mode

4.3 第三光排序輻照模式

第三光排序輻照模式是至少兩種波長的照射光循環(huán)交替地對治療區(qū)域進行連續(xù)或重復的間歇照射，當其中一種波長光的光劑量達到其預先設(shè)定值時，停止該波長光的照射，另一波長光繼續(xù)對患者治療區(qū)域進行照射，直至達到其預先設(shè)定的光劑量。

控制單元在第三光排序輻照模式下產(chǎn)生的光源控制信號如圖9所示，tc1、tc2和tc3分別為第一、第二和第三種波長的照射光使治療區(qū)域達到預設(shè)的光劑量所需要的治療時間。第三光排序輻照模式下所需要的治療時間tc=tc1+tc2+tc3。

5 實驗及結(jié)果分析

5.1 輻照光性能測試

根據(jù)設(shè)計制作的樣機，在室溫25 °C、相對濕度75%的暗室實驗條件下，在距離輻照器出光面100 mm位置設(shè)置光斑靶面，分別以最大輸出功率密度向靶面投射波長625 nm 紅光、520 nm 綠光和465 nm 藍光，使用光功率計測量各個波長光在照射靶面上光斑的光功率密度。將照射靶面分成20 mm×20 mm正方形測量區(qū)域，并將測量位置設(shè)在各區(qū)域的幾何中心點上。將測量點的光功率密度值記為Ei，同時利用Solidworks 三維作圖軟件，以測量值Ei為Z軸坐標值，測量點為x、y 坐標值，在同一坐標系中分別構(gòu)建3 個波長照射光在靶面上的光照功率密度分布曲面，如圖10所示。

圖9 第三光排序輻照模式下照射光控制信號Fig.9 Illumination-controlled signal in the third light sorting irradiation mode

圖10 3個不同波長光在照射區(qū)域表面光照功率密度分布曲面Fig.10 Power density distribution of 3 different wavelength light in irradiation areas

根據(jù)式（1）計算3個波長照射光在光斑靶面的照度均勻性。3 個波長照射光在光斑靶面的最大功率密度Emax、最小功率密度Emin、平均功率密度Eave與照度均勻性U如表1所示。

式中，U表示光功率密度均勻性；Ei表示照射靶面第i個光功率密度測量值；Eave表示照射靶面光功率密度的平均值。

上述測量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，來自輻照器3個不同波長照射光由于前、后光學透鏡陣列的均勻化作用，在光斑靶面形成的光斑均勻性均超過90%，而且在均勻光斑區(qū)域內(nèi)的各波長照射光的功率密度分布曲面高度相似。選取照射靶面中心區(qū)域的光功率密度和溫度作為評價輻照器光照穩(wěn)定度和光熱效應的參考值，使用熱電偶測溫儀測量溫度。分別選擇樣機的3種波長照射光，以最大功率密度連續(xù)輻照，每隔5 min測量一次數(shù)據(jù)，連續(xù)測量10 次。結(jié)果數(shù)據(jù)表明，在50 min 內(nèi)，3個波長照射光的功率密度基本保持不變，光照穩(wěn)定；3種波長照射光中465 nm波長照射光熱效應最大，但所引起的溫升也小于0.5°C，這一溫度變化對光動力治療不會產(chǎn)生影響。465 nm波長照射光在照射靶面中心區(qū)域功率密度與溫度隨光照時間變化曲線如圖11所示。

表1 3種不同波長照射光的功率密度和照度均勻性Tab.1 Optical power density and illumination uniformity of 3 different lights

圖11 465 nm照射光功率密度和溫度隨光照時間變化曲線Fig.11 Optical power density and temperature of 465 nm light changing with irradiation time

5.2 體外實驗比對

選用三陰性乳腺癌細胞進行樣機的體外實驗，實驗分兩組進行。其中，實驗組采用純氧與光動力復合照射，氧濃度92%，流量6.5 L/min；對照組僅采用光動力照射。兩組使用相同的光照射參數(shù)：紅、藍光循環(huán)交替連續(xù)照射；樣機輸出光強度設(shè)置至6 檔，即紅光功率密度33 mW/cm2，藍光功率密度48 mW/cm2；亮周期Ton=1.5 s，暗周期Toff=0 s；靶目標設(shè)置在距輻照器出光面100 mm位置。

將兩組培養(yǎng)好的三陰性乳腺癌細胞MDA-MB-231 培養(yǎng)板加入5-氨基酮戊酸，在37 °C 恒溫箱培養(yǎng)30 min，分別置于實驗組和對照組的樣機輻照器下照射10 min，之后放回培養(yǎng)箱培養(yǎng)2 h。使用Calcein-AM/PI 活細胞/死細胞雙染色試劑盒同時對培養(yǎng)板細胞進行染色，在熒光顯微鏡下使用488 nm 波長激發(fā)觀察腫瘤細胞的變化，并對活細胞和死細胞數(shù)量進行計數(shù)。由于乙酰氧基甲酯AM 能夠穿透活細胞膜并進入到細胞質(zhì)，酯酶會將其水解為鈣黃綠素Calcein 留在細胞內(nèi)，在488 nm 波長激發(fā)下發(fā)出黃綠色熒光。而死亡細胞由于碘化丙啶PI 穿過死亡細胞膜的無序區(qū)域而達到細胞核，并嵌入細胞的DNA 雙螺旋，從而在488 nm 波長激發(fā)下產(chǎn)生紅色熒光。實驗組樣本腫瘤細胞殺死率為98.85%，對照組樣本腫瘤細胞殺死率為75.6%，且紅色熒光在培養(yǎng)板分布均勻。體外實驗結(jié)果表明，在使用純氧及LED 陣列光動力復合治療設(shè)備下，采用純氧與光動力復合照射的腫瘤細胞殺死率明顯高于僅采用光動力照射；紅、藍光照射在目標靶面的光功率密度分布曲面相似度對培養(yǎng)板上死亡細胞分布的均勻性形成有益影響。

6 結(jié)論

本文針對目前國內(nèi)外光動力治療設(shè)備存在臨床治療過程的乏氧問題，提出通過PSA制氧產(chǎn)生純氧和光照射同步輻照治療的解決方案，并采用微透鏡陣列多光譜LED發(fā)光器件與二次透鏡陣列相結(jié)合構(gòu)建輻照器光源系統(tǒng)，設(shè)計并研制純氧及LED陣列光動力復合治療設(shè)備。輻照器的多個不同峰值波長發(fā)射光不僅能提高具有多個特征吸收光譜峰值光敏劑的光動力反應效率，而且多種外源給氧保持治療區(qū)域的富氧狀態(tài)，提高單態(tài)氧產(chǎn)量，從而增強光動力治療的臨床效果。通過進一步臨床治療效果的深入研究與驗證，在光動力治療領(lǐng)域有良好的市場推廣前景。