專利名稱：雷射腫瘤治療系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雷射腫瘤治療系統(tǒng)，特別是一種利用奈米粒子表面電漿共振 (surface plasma resonance)特性，將入射光源轉(zhuǎn)換成熱能以滅除腫瘤細(xì)胞的雷射腫瘤治 療系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
奈米粒子(nanoparticle)多數(shù)使用于影像診斷，而直接使用于治療的情形較少。 通過奈米材料表面電漿共振(surface plasma resonance)特性，將入射光源轉(zhuǎn)換為熱能以 滅除腫瘤細(xì)胞的技術(shù)，稱之為電漿光熱治療法(surface plasmaphototherapy，SPPT)。由 于大部分的生物軟組織對(duì)波長(zhǎng)為650-1350nm的紅外光具較小的吸收與散射，因此組織穿 透深度比可見光(400-600nm)更深，對(duì)組織產(chǎn)生的直接熱傷害也較小，是SPPT的最佳雷射 治療波長(zhǎng)區(qū)間。近期，El-Sayed等人在國(guó)際公告號(hào)為W02006122222專利申請(qǐng)中，揭露了奈米金棒 (nanorods)的制備方法，表面修飾PEG (polyethylene glycol)增加生物相容性與接枝抗 體，做腫瘤標(biāo)靶的概念，以及光熱效應(yīng)做腫瘤熱治療等生醫(yī)應(yīng)用概念，該專利申請(qǐng)目前尚未 獲批。El-Sayed等人及其他歐美研究小組(參見文獻(xiàn):J. Chem. Soc. 2006，vol. 128,p. 2115 ； NanoLett. 2007，vol. 7，p. 1591 ；Cancer Lett. 2006，vol. 239，p. 129 ；Cancer Lett. 2004， vol.209，p.171 ；NanoLett. 2005，vol.5，p. 709 ；NanoLett2007, vol.7，p. 1929 ；p.1318 ； Adv. Material, 2007, vol. 19, p. 3136 ；Expert Rev MedDevices 2007，vol. 4，p. 131)，使用 奈米粒子治療腫瘤組織，目前都遇到下列臨床和技術(shù)上的瓶頸。雖然使用近紅外雷射可有 較深組織穿透(數(shù)十毫米)，但其限于正常組織，在腫瘤組織中，當(dāng)有奈米粒子吸附時(shí)，其 吸收系數(shù)(A)約為A = (2-5) (1/cm)范圍，對(duì)應(yīng)的雷射能量穿透深度(d)約為d = 1/A = (0. 2-0. 5) cm，因此雷射能量吸收局限于腫瘤表面層，其應(yīng)用也受限于微小(數(shù)毫米)腫瘤 治療。再者，奈米粒子對(duì)腫瘤/癌組織吸附亦不盡均勻，其吸附濃度也很難預(yù)控，激發(fā)每特 定長(zhǎng)寬比(R)的奈米金棒，產(chǎn)生最大光熱轉(zhuǎn)換效率的雷射波長(zhǎng)亦不相同，非單一波長(zhǎng)可全 數(shù)涵蓋之。因此，目前El-Sayed，Halas，T0ng等人使用單一波長(zhǎng)，針對(duì)某一 R值的系統(tǒng)，將 受困于不可預(yù)期的療效，局限于微小(數(shù)毫米)腫瘤應(yīng)用，以及腫瘤表面層的過熱等。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上先前技術(shù)遇到的臨床和技術(shù)上的瓶頸，本發(fā)明的主要目的是提供一小 型、可攜式、可感知和調(diào)節(jié)治療部位紅外光溫度的雷射腫瘤治療系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的是提供一種具有溫度監(jiān)控及脈沖式(pulse train)自動(dòng)系統(tǒng)的 雷射腫瘤治療儀，避免腫瘤表面過熱，增加雷射能量深入腫瘤內(nèi)部。再者，經(jīng)由多波長(zhǎng)的最 佳選擇，涵蓋大多數(shù)奈米粒子的吸收波段，達(dá)到雷射光在生物組織3D立體化的療效，增加 腫瘤大小治療適用范圍。本發(fā)明另一目的是針對(duì)體內(nèi)不同癌癥部位及腫瘤大小，可以調(diào)整雷射光斑大小范圍，也可配合使用內(nèi)視鏡(Endoscope)，將雷射光能量傳達(dá)到腫瘤部位的雷射腫瘤治療系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種雷射腫瘤治療系統(tǒng)，包含一光源，用于發(fā)出治療用紅外光；一光輸出裝置，用于輸出所述光源發(fā)出的治療用紅外光；該光輸出裝置的一端與 所述光源相連，另一端的光輸出口位于腫瘤部位上方或與腫瘤部位接觸；一控制裝置，該控制裝置與所述光源的控制端相連，控制所述光源產(chǎn)生連續(xù)/脈 沖式紅外光以及所述連續(xù)式脈沖紅外光作用于腫瘤部位的時(shí)間。所述光源可以是一雷射裝置，該雷射裝置包括電源、用于發(fā)出治療用紅外光波段 雷射輸出光的固體雷射。所述雷射裝置可以是包含一個(gè)所述電源；一個(gè)固體雷射，該固體雷射發(fā)出波段為650-1350nm的紅外光；該固體雷射輸出的 光經(jīng)一聚焦鏡耦合到一內(nèi)傳輸光纖，再經(jīng)一聚焦鏡及SMA連接頭耦合到外接傳輸光纖；以 及一個(gè)電控器，該電控器通過一電控連接線與所述電源相連，用于控制所述電源，使 其調(diào)整所述固體雷射輸出的紅外光的輸出功率。所述雷射裝置還可以是包含一個(gè)電源；產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射；復(fù)數(shù)個(gè)聚焦鏡，用以分別耦合所述復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射到復(fù)數(shù)個(gè)內(nèi)傳輸光纖；以及一個(gè)由所述復(fù)數(shù)個(gè)內(nèi)傳輸光纖捆綁成的光纖束，該光纖束輸出光再經(jīng)由聚焦鏡及 SMA連接頭耦合到外接傳輸光纖。所述光輸出裝置可以為一手柄，所述手柄的一端通過傳輸光纖與所述光源相連， 另一端為光輸出口，在使用時(shí)其位于腫瘤部位上方或與腫瘤部位接觸；該手柄包含一可調(diào)焦透鏡組，用于控制該傳輸光纖輸出光的光斑大小，及控制輸 出光的形狀或?yàn)槠叫谢驗(yàn)榫劢?；該手柄更包含一快門以及一兩維掃描儀，該快門和掃描儀設(shè)置在所述所述輸出光的光路上，使得雷射能量經(jīng)由掃描方式傳輸?shù)侥[瘤部位，做大面積治療。所述雷射裝置中的固體雷射是包含紅外光波段的固體雷射。所述控制裝置可以為一溫控自動(dòng)系統(tǒng)，該溫控自動(dòng)系統(tǒng)包含復(fù)數(shù)個(gè)熱電耦或紅外傳感器，一個(gè)讀溫計(jì)以及一個(gè)溫度信號(hào)回饋裝置；所述復(fù)數(shù)個(gè)熱電耦或紅外傳感器分別位于腫瘤組織表面層和內(nèi)部，用以偵測(cè) 腫瘤組織表面層及內(nèi)部溫度，并經(jīng)由信號(hào)連接線連接到所述讀溫計(jì)，該讀溫計(jì)的信號(hào)輸出 端與所述溫度信號(hào)回饋裝置相連，該溫度信號(hào)回饋裝置的控制信號(hào)輸出端連接到一個(gè)電控 馬達(dá)，該電控馬達(dá)又控制一快門的開關(guān)，該快門位于輸出光的光路上，該快門的開關(guān)用于產(chǎn) 生和停止作用于腫瘤部位的連續(xù)式脈沖(pulse train)輸出光。所述控制裝置為一溫控自動(dòng)系統(tǒng)，
該溫控自動(dòng)系統(tǒng)包含復(fù)數(shù)個(gè)熱電耦或紅外傳感器、一個(gè)讀溫計(jì)以及一個(gè)溫度信 號(hào)回饋裝置；所述復(fù)數(shù)個(gè)熱電耦或紅外傳感器在使用時(shí)分別位于腫瘤組織表面層和內(nèi)部， 用以偵測(cè)腫瘤組織表面層及內(nèi)部溫度，并經(jīng)由信號(hào)連接線連接到所述讀溫計(jì)，該讀溫計(jì)的 信號(hào)輸出端與所述溫度信號(hào)回饋裝置相連，所述溫度信號(hào)回饋裝置的控制信號(hào)輸出端連接 所述電源，直接控制所述電源的開關(guān)，產(chǎn)生連續(xù)式脈沖(pulse train)輸出光。該腫瘤組織經(jīng)由腫瘤內(nèi)注射方式或動(dòng)脈注射方式，使奈米粒子直接進(jìn)入并集中于 腫瘤內(nèi)部。也可經(jīng)由光纖引導(dǎo)的內(nèi)視鏡，用于內(nèi)臟器官腫瘤治療。因此，可以在該雷射裝置的 輸出光線處耦合一光纖的一端，該光纖的另一端耦合一內(nèi)視鏡，用于內(nèi)臟器官腫瘤治療。該奈米粒子包含金所構(gòu)成不同大小，任何形狀的奈米粒子。該奈米粒子包含一種奈米金棒(gold nanorod)長(zhǎng)寬比為(3. 0-10. 0)，對(duì)應(yīng)的 雷射吸收峰波長(zhǎng)為(650-1350nm)。該奈米粒子也可以是包含一種鍍金奈米園球硅殼 (silica-nanoshell)，鍍金殼厚度(1-50)nm。該奈米粒子表面修飾包含PEG (polyethylene glycol)以及抗體(anti-body)。該雷射裝置可以是包含一個(gè)電源；一個(gè)紅外光波段(650-1350nm)的固體雷射；其輸出光經(jīng)由一聚焦鏡耦合到一內(nèi) 傳輸光纖，再經(jīng)由一聚焦鏡及SMA連接頭耦合到一外接傳輸光纖；以及一電控器用于調(diào)整該固體雷射輸出光的輸出功率。該雷射裝置也可以是包含一個(gè)電源；不同波長(zhǎng)的復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射；復(fù)數(shù)個(gè)聚焦鏡，是用以分別耦合該復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射 到復(fù)數(shù)個(gè)內(nèi)傳輸光纖；以及一個(gè)是由該復(fù)數(shù)個(gè)內(nèi)傳輸光纖捆綁成的光纖束；該光纖束輸出光再經(jīng)由聚焦鏡及 SMA連接頭耦合到一外接傳輸光纖。該雷射裝置更可以包含一個(gè)電控器，該電控器通過復(fù)數(shù)根電控連接線分別與所述 復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射的電源輸入端相連，用于個(gè)別調(diào)整即分別調(diào)整該復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射輸出的紅 外光的輸出功率；以及所述外接傳輸光纖中復(fù)數(shù)個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)或個(gè)別輸出；其中，該復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射包含可產(chǎn)生波長(zhǎng)為(650-700nm)、(700-750nm)、 (750-800nm)、 (800_850nm)、 (850_900nm)、 (900_950nm)、 (950_1000nm)、 (1000_1050nm)、 (1050-1IOOnm)、(1100-1150nm)、(1150_1200nm)、(1200_1250nm)、(1250-1300nm)或 (1300-1350nm)紅外光的任何2個(gè)或多個(gè)的固體雷射的組合。所述固體雷射為傳統(tǒng)閃燈泵或半導(dǎo)體雷射泵Nd:YAG(波長(zhǎng)1064、1320nm)、 Nd:YV04(波長(zhǎng) 1047nm)；或二極管雷射(diode laser，波長(zhǎng) 650_1350nm)；或摻鐿(Yb)、 鐠(Pr)、鉻(Cr)、鉺(Er)、銩(Tm)、或鈥(Ho)等稀土元素的釔石榴石晶體(YAG)光纖雷 射(fiber laser，波長(zhǎng) 900-1350nm)；或摻鈦(Ti)藍(lán)寶石(Ti sapphire)雷射(波長(zhǎng) 750-1200nm)。該固體雷射可以為傳統(tǒng)閃燈泵或半導(dǎo)體雷射泵Nd:YAG，其波長(zhǎng)1064、1320nm、或 Nd:YV04，其波長(zhǎng) 1047nm、或二極體雷射(diode laser，波長(zhǎng) 650_1350nm)、或摻鐿(Yb)、鐠(Pr)、鉻(Cr)、鉺(Er)、銩(Tm)、或鈥(Ho)等稀土元素的釔石榴石晶體(YAG)光纖雷射 (fiber laser，波長(zhǎng) 900_1350nm)；或 Ti sapphire 雷射(波長(zhǎng) 750_1200nm)。該固體雷射是連續(xù)式(continuous wave)輸出光或脈沖式(pulsed)輸出光；脈沖 寬度約1. 0奈秒(ns)至0. 5秒，雷射重復(fù)頻率0. 5HZ-1. 0GHz，雷射輸出功率(0. 01-20)瓦。所述固體雷射用以激發(fā)奈米粒子，該奈米粒子包含金所構(gòu)成的不同大小、任何形 狀的奈米粒子；或者，該奈米粒子為一種鍍金奈米圓球硅殼，鍍金殼厚度l-50nm，厚度與所述圓球硅殼 半徑比為0. 05-0. 2 ；該奈米粒子表面修飾具有高親水性、低免疫性與抗原性的PEG，或者且 同時(shí)與抗體修飾；或者，該固體雷射用以激發(fā)奈米金棒所需紅外波長(zhǎng)(W)，與奈米金棒長(zhǎng)寬比(R)具非線 性增加關(guān)系如下W = 411+47. 81 (0. 8n+0. 283)2R+0. 915R2其中η為奈米金棒緩沖液折射率。奈米金棒長(zhǎng)寬比包含R = (3. 0-10. 0)，對(duì)應(yīng)的 雷射吸收峰波長(zhǎng)W = (650-1350nm)，因緩沖液折射率η = (1. 3-1. 5)而變。該溫控自動(dòng)系統(tǒng)，是用于產(chǎn)生連續(xù)式脈沖(pulse train)雷射作用時(shí)間；是使 腫瘤組織表面層溫度變化維持定值，腫瘤組織表面層的溫度介于溫度Tl和T2之間，其中 T2-T1 = (0. 2-2. 0)°C, T2約(45-55) °C ；同時(shí)該溫控自動(dòng)系統(tǒng)以及本雷射治療系統(tǒng)提供 的連續(xù)式脈沖可讓該腫瘤組織內(nèi)部溫度繼續(xù)上升到靠近其表面層溫度，為了能夠使得上述 效果更好，其中從第二個(gè)脈沖算起，所述連續(xù)式脈沖輸出光雷射作用時(shí)間應(yīng)比關(guān)閉時(shí)間短。 Tl、T2是腫瘤組織表面層上升溫度。所述連續(xù)式脈沖輸出光雷射作用時(shí)間從第二個(gè)脈沖算起應(yīng)比關(guān)閉時(shí)間短1. 5倍 至5倍。所述控制裝置為一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的信號(hào)輸出端分別通過電控線 與所述電源和控制快門的電控馬達(dá)相連；將對(duì)應(yīng)的雷射與奈米粒子參數(shù)，以及腫瘤組織表面層溫度約45-55°C時(shí)所需雷射 作用一開一關(guān)脈沖時(shí)間，預(yù)存于所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)內(nèi)，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接到信號(hào)產(chǎn)生 電路板，輸出1.0-12. OV電壓到所述控制快門的電控馬達(dá)或所述電源開關(guān)，控制所述快門 或所述電源的一開一關(guān)，用以產(chǎn)生連續(xù)式脈沖輸出光。本發(fā)明所揭示的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其包含紅外光波段的雷射裝置，經(jīng)由SMA連 接頭耦合到外接傳輸光纖與一個(gè)手柄，其內(nèi)有可調(diào)焦透鏡組，用于控制該傳輸光纖輸出光 的光斑大小。再經(jīng)由一電控馬達(dá)控制的快門，將該輸出光能量傳輸腫瘤組織。該電控馬達(dá)連 接到一個(gè)溫控自動(dòng)系統(tǒng)，其包含復(fù)數(shù)個(gè)熱電耦或非接觸紅外傳感器讀溫計(jì)，以及一個(gè)信號(hào) 回饋裝置(內(nèi)有Labview軟件)，產(chǎn)生脈沖式(pulse train)輸出光，達(dá)到自動(dòng)溫控的需要， 使腫瘤組織表面層上升溫度維持定值，避免過熱。該手柄也可另加兩維X-Y掃描儀，將雷射 能量傳輸?shù)侥[瘤部位，做大面積治療。為提升奈米粒子的標(biāo)靶效率，其表面修飾具有高親水 性、低免疫性與抗原性的PEG (polyethylene glycol)，也可同時(shí)與抗體(anti-body)修飾。本發(fā)明紅外光波段的固體雷射包含傳統(tǒng)閃燈泵或半導(dǎo)體雷射泵Nd:YAG， Nd:YV04，二極體雷射(diode laser，波長(zhǎng) 650_1350nm)；摻鐿(Yb)、鐠(Pr)、鉻(Cr)、鉺 (Er)、銩(Tm)、或鈥(Ho)等稀土元素的釔石榴石晶體(YAG)光纖雷射(波長(zhǎng)900_1350歷)；以及Ti: sapphire雷射。該固體雷射是連續(xù)出光或脈沖出光，輸出功率(0.01-20)瓦。上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的實(shí)施范例并配合附圖詳細(xì)說明如后。


圖1為本發(fā)明提供的雷射腫瘤治療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2-A、圖2-B和圖2-C為本發(fā)明提供的一種雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其中圖2-A是本發(fā)明提供的一種雷射腫瘤治療系統(tǒng)的病人治療相關(guān)部位示意圖；圖2-B是治療相關(guān)部位與手柄結(jié)構(gòu)示意圖；圖2-C是手柄102另一結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的一種雷射裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明提供的另一種雷射裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明提供的一種理論新概念，顯示單一脈沖(single pulse)與連續(xù)式脈 沖(pulse train)的溫度上升比較；圖6為本發(fā)明提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯示連續(xù)式脈沖作用下，奈米金棒液溫度的改變；圖7為利用美國(guó)National Instrument公司制造的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(DAQ)實(shí)現(xiàn)的邏 輯圖；圖8為本發(fā)明提供的另一種雷射腫瘤治療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1是本發(fā)明提供的一種雷射腫瘤治療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該雷射腫瘤治療系統(tǒng) 包含輸出波段為650-1350nm紅外光的雷射裝置100，經(jīng)由SMA連接頭100_a耦合到一個(gè) 傳輸光纖101 ；該傳輸光纖101再連接到一個(gè)手柄102，其內(nèi)有可調(diào)焦透鏡組103，用于控制 該傳輸光纖101輸出光110的光斑大小、形狀(平行或聚焦)。該光纖輸出光110再經(jīng)由 一個(gè)電控馬達(dá)105控制開關(guān)的快門104 (shutter)，將其能量傳輸?shù)侥[瘤組織120。其中該 傳輸光纖101為多模光纖或單模光纖。該快門104開關(guān)也可經(jīng)由手控(圖1未顯示)。該 電控馬達(dá)105連接到一個(gè)溫控自動(dòng)系統(tǒng)107，其內(nèi)包含復(fù)數(shù)個(gè)熱電耦108-a、108-b，分別 插入腫瘤組織表面層與內(nèi)部，讀溫計(jì)107-a及一個(gè)溫度信號(hào)回饋裝置107_b(內(nèi)有Labview 軟件)；溫控自動(dòng)系統(tǒng)107經(jīng)由信號(hào)連接線106連接到電控馬達(dá)105，電控馬達(dá)105再控制 快門104產(chǎn)生脈沖式(pulse train)輸出光110，達(dá)到自動(dòng)溫控的需要。腫瘤組織表面層 上升溫度維持定值，避免過熱，溫度達(dá)到約45°C _55°C，選擇性地殺死癌細(xì)胞。該溫度信號(hào) 回饋裝置107-b，也可經(jīng)由信號(hào)連接線109連接到雷射裝置100直接控制輸出光110的電 源開關(guān)，可免用電控馬達(dá)105或快門104。該溫控自動(dòng)系統(tǒng)可以使用商業(yè)化產(chǎn)品，如美國(guó) NationalInstrument (Ni)公司制造的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(DAQ，data recognition system)和 其軟件(Labview)。輸出波段為650-1350nm紅外光的該雷射裝置100，也可由其他光源取 代，如發(fā)光二極管LED。在使用LED光源情況下，可將光源置手柄102內(nèi)(圖1未顯示)，可 免用傳輸光纖。圖2-A是本發(fā)明提供的一種雷射腫瘤治療系統(tǒng)的病人治療相關(guān)部位示意圖。該病 人121腫瘤部位120表面與手柄102末端接觸，熱電耦108插入腫瘤組織表面層與內(nèi)部讀
參照?qǐng)D2-B所示，替換前述實(shí)施例中的熱電偶，也可使用非接觸紅外傳感器(IRsensor)讀溫計(jì)130，其經(jīng)由信號(hào)連接線131連接到信號(hào)回饋裝置107_b (見圖1)。圖2-C是手柄102另一結(jié)構(gòu)示意圖，其內(nèi)有可調(diào)焦透鏡組103及控制開關(guān)的快門 104。該手柄102也可另加兩維X-Y掃描儀(galvanometer)或其他類似功能儀(圖2-C未 顯示)，將雷射能量經(jīng)由掃描方式傳輸?shù)侥[瘤部位，做大面積治療。本發(fā)明使用的奈米粒子可經(jīng)由腫瘤內(nèi)注射方式(intra-tumor injection)，或動(dòng) 脈注射方式，使奈米粒子直接進(jìn)入并集中于腫瘤內(nèi)部，再體外給予紅外雷射光照射。也可 使用光纖引導(dǎo)(fiber-guided)內(nèi)視鏡(endoscope)技術(shù)(圖2未顯示)，使用于內(nèi)臟器官 腫瘤治療。為提升奈米粒子的標(biāo)靶效率，其表面修飾具有高親水性、低免疫性與抗原性的 PEG (polyethylene glycol)，也可同時(shí)與抗體(anti-body)修飾。本發(fā)明的奈米粒子包含 金所構(gòu)成不同大小，任何形狀的奈米粒子。特別是包含一種奈米金奈米金棒長(zhǎng)為40-100nm， 長(zhǎng)寬比為3. 0-10. 0，對(duì)應(yīng)的雷射吸收峰波長(zhǎng)為650-1350nm。本發(fā)明的奈米粒子也可以是包 含一種鍍金奈米圓球(半徑r)硅殼(silica-nanoshell)，鍍金殼厚度t = l-50nm，厚度與 半徑比為 t/r = 0. 05-0. 2。圖3是本發(fā)明提供的一種雷射腫瘤治療系統(tǒng)的雷射裝置100內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。該 雷射裝置100至少包含一個(gè)電源(driver) 51，紅外光波段為650-1350nm的固體雷射20， 其輸出光經(jīng)由聚焦鏡21耦合到內(nèi)傳輸光纖22，再經(jīng)由聚焦鏡21及SMA連接頭23耦合到外 接傳輸光纖101。該雷射裝置100也包含電控連接線52連接到電控器53 (controller)，用 于調(diào)整輸出光的輸出功率。該固體雷射20包含傳統(tǒng)閃燈泵或半導(dǎo)體雷射(diode laser) 泵 Nd:YAG(波長(zhǎng) 1064、1320nm)，Nd:YV04(波長(zhǎng) 1047nm) ；二極體雷射(diode laser，波 長(zhǎng)650-1350nm)；摻鐿(Yb)、鐠(Pr)、鉻(Cr)、鉺(Er)、銩(Tm)、或鈥(Ho)等稀土元素的 釔石榴石晶體(YAG)光纖雷射(fiber laser，波長(zhǎng)900-1350nm)；或摻鈦(Ti)藍(lán)寶石 (Ti: sapphire)雷射(波長(zhǎng) 750_1200nm)。該固體雷射 20 是連續(xù)(continuous wave)出光 或脈沖(pulsed)出光，脈沖寬度約1. 0奈秒(ns)至0. 5秒，雷射重復(fù)頻率0. 5Ηζ_1· OGHz, 雷射輸出功率0. 01-20瓦。奈米金棒長(zhǎng)為40-100nm，長(zhǎng)寬比為3. 0-10. 0，對(duì)應(yīng)的雷射吸收 峰波長(zhǎng) 650-1350nm。圖4是本發(fā)明提供的一種雷射腫瘤治療系統(tǒng)的另一雷射裝置100內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意 圖。該雷射裝置100至少包含一個(gè)電源51，復(fù)數(shù)個(gè)紅外波段為650-1350nm不同波長(zhǎng)的固 體雷射20，30，40。該多個(gè)固體雷射20，30，40經(jīng)由復(fù)數(shù)個(gè)聚焦鏡21分別耦合到復(fù)數(shù)個(gè)內(nèi)傳 輸光纖64，65，66，最后再捆綁為一個(gè)光纖束(fiber bundle)67。該光纖束67輸出光再經(jīng) 由聚焦鏡21及SMA連接頭23耦合到外接傳輸光纖101。該雷射裝置100也包含電控連接線52，用于連接電源51和電控器 53(C0ntr0ller)，用于個(gè)別調(diào)整輸出光的輸出功率。該電控器53也可用于選擇該外接傳輸 光纖101中復(fù)數(shù)個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)或個(gè)別輸出。圖4僅顯示三個(gè)不同波長(zhǎng)的固體雷射裝置，本發(fā)明提供的該復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射的組 合，其可以是波長(zhǎng)為 650-700nm，700_750nm，750_800nm，800_850nm，850_900nm，900_950nm， 950-1000nm,1000-1050nm,1050-1IOOnm,1100-1150nm,1150-1200nm,1200-1250nm, 1250-1300nm,或1300-1350nm，其中任何2個(gè)或多個(gè)的固體雷射的組合。該復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射，可以是包含如第三實(shí)施例所列，任何復(fù)數(shù)個(gè)的固體雷射。圖4顯示紅外波段為 650-1350nm固體雷射20，30，40對(duì)應(yīng)的奈米金棒長(zhǎng)寬比為R = 3. 0-10. 0。參照?qǐng)D5所示，其是本發(fā)明理論新概念，其中縱座標(biāo)代表腫瘤組織表面層溫度變 化，橫座標(biāo)代表雷射作用時(shí)間(一開一關(guān)脈沖)。曲線(A)代表單一脈沖(singl印ulse)， 曲線(B)代表連續(xù)式脈沖(pulse train)。本發(fā)明理論新概念提供對(duì)腫瘤組織作用一開一 關(guān)產(chǎn)生連續(xù)式脈沖，較單一脈沖具有更長(zhǎng)而高效率的熱維持效果。本發(fā)明可使腫瘤組織表 面層溫度變化維持定值，介于溫度Tl和T2之間，避免過熱。其中T2-T1 = 0. 2-2. 0°C，T2 約 45-55 0C ο參照?qǐng)D6所示，其是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中橫座標(biāo)代表連續(xù)式脈沖雷射作用時(shí)間， 縱座標(biāo)代表熱電耦108(參照?qǐng)D1)在奈米金棒液表面層(1.0mm)與內(nèi)部(6.0mm)的讀溫。 本實(shí)驗(yàn)使用2個(gè)可以產(chǎn)生不同波長(zhǎng)808nm，850nm的二極管雷射照射于PEG表面修飾的奈 米金棒(R = 4. 0)水緩沖溶液(濃度0. 5mM)。使用雷射功率為500mW，雷射光斑大小約為 8mm。本發(fā)明圖6所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合理論預(yù)測(cè)趨勢(shì)。值得特別注意的是，圖6所示雷射作用 一開一關(guān)脈沖時(shí)間并非定值，且難以理論預(yù)測(cè)?；诒景l(fā)明圖5和圖6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，一般 而言，為使奈米金棒液表面層溫度變化維持定值(介于溫度44°C和45°C之間)，從第二個(gè)脈 沖算起(參照?qǐng)D5所示)雷射作用時(shí)間應(yīng)比關(guān)閉時(shí)間短。該連續(xù)式脈沖輸出光雷射作用時(shí)間(從第二個(gè)脈沖算起)應(yīng)比關(guān)閉時(shí)間約短1. 5 倍至5倍。依據(jù)本發(fā)明圖6所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖5所示理論預(yù)測(cè)趨勢(shì)，將一組對(duì)應(yīng)的雷射與奈 米粒子參數(shù)和腫瘤組織表面層溫度約45-55°C，所需雷射作用一開一關(guān)脈沖時(shí)間(tj，j = 1,2,3,4..),預(yù)存于一個(gè)時(shí)間計(jì)時(shí)器，如美國(guó)National Instrument (Ni)公司制造的數(shù)據(jù)處 理系統(tǒng)(DAQ, data recognition system)和其軟件(Labview)，即可輕松實(shí)現(xiàn)如圖7所示 簡(jiǎn)單邏輯(同時(shí)參照?qǐng)D5所示)，提供對(duì)腫瘤組織作用一開一關(guān)連續(xù)式脈沖雷射作用時(shí)間 (tj, j = 1,2. 3. 4..).使腫瘤組織表面層與內(nèi)層溫度達(dá)到約47°C .如圖8所示，該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)207經(jīng)由信號(hào)連接線106連接到電控馬達(dá)105控制 快門104 —開一關(guān)預(yù)存時(shí)間，也可經(jīng)由信號(hào)連接線109連接到雷射裝置100直接控制輸出 光110的電源開關(guān)預(yù)存時(shí)間；即可產(chǎn)生連續(xù)式脈沖輸出光，而不需使用如圖1所示讀溫計(jì) 107-a及溫度信號(hào)回饋裝置107-b。以上所述是本發(fā)明的具體實(shí)施例及所運(yùn)用的技術(shù)原理，不是對(duì)保護(hù)范圍進(jìn)行的限 制。
權(quán)利要求
一種雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于它包括一光源，用于至少發(fā)出治療用紅外光；一光輸出裝置，用于輸出所述光源發(fā)出的治療用紅外光；該光輸出裝置的一端與所述光源相連，另一端的光輸出口在使用時(shí)位于腫瘤部位上方或與腫瘤部位接觸；一控制裝置，該控制裝置與所述光源的控制端相連，控制所述光源產(chǎn)生連續(xù)/脈沖式紅外光以及所述連續(xù)式脈沖紅外光作用于腫瘤部位的時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于所述光源為一雷射裝置，該 雷射裝置包括電源、用于發(fā)出治療用紅外光波段雷射輸出光的固體雷射。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于所述雷射裝置包含 一個(gè)所述電源；一個(gè)固體雷射，該固體雷射發(fā)出波段為650-1350nm的紅外光；該固體雷射輸出的光經(jīng) 一聚焦鏡耦合到一內(nèi)傳輸光纖，再經(jīng)一聚焦鏡及SMA連接頭耦合到外接傳輸光纖；以及一個(gè)電控器，該電控器通過一電控連接線與所述電源相連，用于控制所述電源，使其調(diào) 整所述固體雷射輸出的紅外光的輸出功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于所述雷射裝置包含 一個(gè)所述電源；產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射；復(fù)數(shù)個(gè)聚焦鏡，用以分別耦合所述復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射到復(fù)數(shù)個(gè)內(nèi)傳輸光纖；以及 一個(gè)由所述復(fù)數(shù)個(gè)內(nèi)傳輸光纖捆綁成的光纖束，該光纖束輸出光再經(jīng)由聚焦鏡及SMA 連接頭耦合到外接傳輸光纖。
5.如權(quán)利要求4所述的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于所述雷射裝置更包含一個(gè)電 控器，該電控器通過復(fù)數(shù)根電控連接線分別與所述復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射的電源輸入端相連，用 于個(gè)別調(diào)整所述固體雷射輸出的紅外光的輸出功率，以及所述外接傳輸光纖中復(fù)數(shù)個(gè)波長(zhǎng) 同時(shí)或個(gè)別輸出；其中，所述復(fù)數(shù)個(gè)固體雷射包含可產(chǎn)生波長(zhǎng)為650-700nm、700_750nm、750_800nm、 800-850nm、850-900nm、900-950nm、950_1000nm、1000_1050nm、1050-1lOOnm、1100-1150nm、 1150-1200nm、1200_1250nm、1250-1300nm 或 1300_1350nm 紅外光的任何 2 個(gè)或多個(gè)固體雷射的組合。
6.如權(quán)利要求3或4所述的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于所述固體雷射為波長(zhǎng)1064、1320nm的傳統(tǒng)閃燈泵或半導(dǎo)體雷射泵Nd:YAG、或波長(zhǎng) 1047nm的Nd:YV04 ；或波長(zhǎng)650-1350nm的二極管雷射；或摻鐿、鐠、鉻、鉺、銩、或鈥稀土元 素的波長(zhǎng)900-1350nm的釔石榴石晶體光纖雷射；或波長(zhǎng)750-1200nm的摻鈦(Ti)藍(lán)寶石雷射。
7.如權(quán)利要求5或6所述的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于所述固體雷射連續(xù)式輸 出光或脈沖式輸出光；脈沖寬度ι. O奈秒至0. 5秒，雷射重復(fù)頻率0. 5HZ-1. 0GHz，雷射輸出 功率0. 01-20瓦。
8.如權(quán)利要求7所述的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于所述固體雷射用以激發(fā)奈米 粒子，該奈米粒子包含金所構(gòu)成的不同大小、任何形狀的奈米粒子；或者，該奈米粒子為一種鍍金奈米圓球硅殼，鍍金殼厚度l-50nm，厚度與所述圓球硅殼半徑比為0. 05-0. 2 ；該奈米粒子表面修飾具有高親水性、低免疫性與抗原性的PEG，或者且同時(shí) 與抗體修飾；或者，所述固體雷射用以激發(fā)奈米金棒所需紅外波長(zhǎng)為W，與奈米金棒長(zhǎng)寬比R具非線性增 加關(guān)系如下W = 411+47. 81 (0. 8n+0. 283)2R+0. 915R2其中η為奈米金棒緩沖液折射率；奈米金棒長(zhǎng)寬比包含R = (3. 0-10. 0)，對(duì)應(yīng)的雷射 吸收峰波長(zhǎng)W = 650-1350nm,因緩沖液折射率η = 1. 3-1. 5而變。
9.如權(quán)利要求1或2或3或4或5或8所述的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于所述 光輸出裝置為一手柄，所述手柄的一端通過傳輸光纖與所述光源相連，另一端的光輸出口 位于腫瘤部位上方或與腫瘤部位接觸；該手柄包含一可調(diào)焦透鏡組，用于控制所述傳輸光纖輸出光的光斑大小，及控制輸出 光的形狀或?yàn)槠叫谢驗(yàn)榫劢?；或者，在作為所述光源的雷射裝置的輸出光線處耦合一傳輸光纖的一端，該光纖的另一端耦 合一內(nèi)視鏡，用于內(nèi)臟器官腫瘤治療。
10.如權(quán)利要求9所述的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于所述手柄更包含一快門以及 一兩維掃描儀，該快門和掃描儀設(shè)置在輸出光的光路上，使得雷射能量經(jīng)由掃描方式傳輸 到腫瘤部位，做大面積治療。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或9或10所述的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在 于所述控制裝置為一溫控自動(dòng)系統(tǒng)，該溫控自動(dòng)系統(tǒng)包含復(fù)數(shù)個(gè)熱電耦或紅外傳感器、一個(gè)讀溫計(jì)以及一個(gè)溫度信號(hào)回 饋裝置；所述復(fù)數(shù)個(gè)熱電耦或紅外傳感器分別位于腫瘤組織表面層和內(nèi)部，用以偵測(cè)腫瘤 組織表面層及內(nèi)部溫度，并經(jīng)由信號(hào)連接線連接到所述讀溫計(jì)，該讀溫計(jì)的信號(hào)輸出端與 所述溫度信號(hào)回饋裝置相連，所述溫度信號(hào)回饋裝置的控制信號(hào)輸出端連接到一個(gè)電控馬 達(dá)，該電控馬達(dá)又控制一快門的開關(guān)；該快門位于輸出光的光路上，該快門的開關(guān)用于產(chǎn)生 和停止作用于腫瘤部位的連續(xù)式脈沖輸出光；或者，該溫控自動(dòng)系統(tǒng)包含復(fù)數(shù)個(gè)熱電耦或紅外傳感器、一個(gè)讀溫計(jì)以及一個(gè)溫度信號(hào)回 饋裝置；所述復(fù)數(shù)個(gè)熱電耦或紅外傳感器分別位于腫瘤組織表面層和內(nèi)部，用以偵測(cè)腫瘤 組織表面層及內(nèi)部溫度，并經(jīng)由信號(hào)連接線連接到所述讀溫計(jì)，該讀溫計(jì)的信號(hào)輸出端與 所述溫度信號(hào)回饋裝置相連，所述溫度信號(hào)回饋裝置的控制信號(hào)輸出端所述電源，直接控 制所述電源的開關(guān)，產(chǎn)生連續(xù)式脈沖輸出光；或者，所述控制裝置為一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的信號(hào)輸出端分別通過電控線與所 述電源和控制快門的電控馬達(dá)相連；將對(duì)應(yīng)的雷射與奈米粒子參數(shù)，以及腫瘤組織表面層溫度約45-55°C時(shí)所需雷射作用 一開一關(guān)脈沖時(shí)間，預(yù)存于所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)內(nèi)，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接到信號(hào)產(chǎn)生電路 板，輸出1.0-12. OV電壓到所述控制快門的電控馬達(dá)或所述電源開關(guān)，控制所述快門或所 述電源的一開一關(guān)，用以產(chǎn)生連續(xù)式脈沖輸出光。
12.如權(quán)利要求11所述的雷射腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于所述溫控自動(dòng)系統(tǒng)使腫瘤 組織表面層溫度變化維持定值，腫瘤組織表面層的溫度介于溫度Tl和T2之間，其中T2-T1 =0. 2-2. 0°C, T2為45-55°C ；同時(shí)使腫瘤組織內(nèi)部溫度繼續(xù)上升到靠近其表面層溫度，其中從第二個(gè)脈沖算起，所述連續(xù)式脈沖輸出光雷射作用時(shí)間應(yīng)比關(guān)閉時(shí)間短1. 5倍至5倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雷射腫瘤治療系統(tǒng)，特別是一種利用奈米粒子表面電漿共振(surface plasma resonance)特性，將入射光源轉(zhuǎn)換成熱能以滅除腫瘤細(xì)胞的雷射腫瘤治療系統(tǒng)。其包含能發(fā)出紅外光波段的雷射裝置；外接傳輸光纖與一個(gè)手柄；一個(gè)溫控自動(dòng)系統(tǒng)；以及一個(gè)信號(hào)回饋裝置，產(chǎn)生脈沖式(pulse train)輸出光，達(dá)到自動(dòng)溫控的需要，使腫瘤組織表面層上升溫度維持定值。也可經(jīng)由多波長(zhǎng)的最佳選擇，達(dá)到雷射光在生物組織立體化療效。該固體雷射可連續(xù)出光或脈沖出光，波長(zhǎng)650-1350nm，輸出功率0.01-20瓦。本發(fā)明公開的奈米粒子包含金、銀或金銀組合所構(gòu)成的不同大小，任何形狀的奈米粒子，特別是包含一種奈米金棒長(zhǎng)寬比為3.0-10.0。其表面修飾PEG(polyethylene glycol)與抗體(anti-body)。
文檔編號(hào)A61B18/28GK101991462SQ20091016239
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2009年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月13日
發(fā)明者林瑞騰 申請(qǐng)人:新視界有限公司