一种可更换探针的光热治疗及温度监测集成系统的制作方法

1.本发明涉及一种可更换探针的光热治疗及温度监测集成系统。


背景技术：

2.随着现代医疗技术的不断进步，激光治疗技术的应用逐渐广泛。激光具有单色性好，相干性好，方向性好和亮度高等特点。方向性好意味着激光相较于日常的光源在传输过程中具有较小的发散角，因此能量可以较好地集中在一处，利用激光的高能量辐照物体，使之快速升温，进而改变结构。因此激光已经成为一种新型加工和治疗手段。通过光纤将激光照射到病患部位，使被照射的生物组织温度升高进而杀死病变细胞，常用于肿瘤治疗。但是传统激光热疗存在温度监控延迟，加热效果差，治疗器件体积过大，间接导热物质有毒性、易残留等问题。
3.当温度升高到45℃以上时病变细胞便会逐渐被杀死，如果激光的升温速度过快，温度监控存在延迟，可能会对正常体细胞造成伤害，导致不必要的二次伤害。当前的实时监测温度探头体积过大，无法进入人体内的部分部位进行治疗，且更换复杂，维修性低。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种可更换探针的光热治疗及温度监测集成系统，能够以小体积的探针深入生物组织内部，通过光纤传输激光对光热疗复合材料进行激发，激发后材料所发出的荧光经由另一束光纤传输至光谱仪进行信号分离解调，计算机计算得到实时温度。激光光纤、测温光纤与光谱仪借助耦合器进行耦合，实现模块化组成。本发明具有实时测温、温度检测准确度高、加热探针体积小、加热效果好、加热效果可控、模块化便于维修更换组件等优点。
5.实现本发明的具体技术方案为：一种可更换探针的光热治疗及温度监测集成系统，包括计算机、光谱仪、激光光源、耦合器、激光光纤、测温光纤、双束光纤、探针、温度控制器；探针内填充有光热疗复合材料，具备可拆卸结构便于更换不同填充材料的探头；激光光源所发出的激光通过激光光纤经耦合器与测温光纤耦合起来，再通过双束光纤传输至探针对光热疗复合材料进行激发，激发的荧光通过双束光纤与测温光纤传输至光谱仪进行分光读取两个不同波长的荧光发光强度，计算机通过荧光强度比值法进行实时计算，获得探针的实时温度，得到温度后通过温度控制器来控制激光器的功率，从而实现实时监测与实时控温的效果。
6.所述的光谱仪可探测范围为200 nm
‑
1600 nm；所述的光谱仪在硬件上具备可调谐光栅组成的分光系统，通过两个光路选择性接收特定波长的光，光栅的调节范围为200 nm
‑
1600 nm。
7.所述的激光光纤传输的激光波长为200 nm
‑
2000 nm，为连续型激光，功率为0.1 w
‑
100 w；所述的测温光纤接收波长为：200 nm
‑
1600 nm。
8.所述的耦合器可将两束光纤合并在同一外包层内，耦合器与两端输入光纤的连接
为可拆卸结构，便于更换光谱仪和光纤。
9.所述的探针长度为20 mm
‑
100 mm，直径为1 mm
‑
4 mm，外壳厚度为0.5 mm
‑
1.5 mm，外壳材质为不锈钢、铂或者金；所述的探针具备子母结构，探针母体具备螺纹结构或锁定结构，探针子端具备与母端匹配的锁定结构。
10.所述的探针内部填充有光热疗复合材料，光热疗复合材料包括稀土掺杂材料和纳米光热材料，稀土掺杂材料在受到激光激发后发出荧光，纳米光热材料在激光照射下产生热量；所述的稀土掺杂材料发光光谱的范围为200 nm
‑
1600 nm；所述的稀土掺杂离子包括nd
3
、sm
3
、 eu
3
、tb
3
、dy
3
、ho
3
、er
3
、yb
3
、tm
3
或lu
3
；所述的纳米光热材料，包括但不限于石墨烯、碳纳米管、石墨、纳米金棒、纳米金片、纳米金球、纳米银棒、纳米银片、纳米银球、纳米铜棒、纳米铜片或者纳米铜球。
11.所述的温度控制器，接收的温度范围为50 ℃
‑
70 ℃，可对激光器功率调节的范围为0.01 w
‑
100 w。
12.本发明的有益效果：探针部分采用光热疗复合材料，包括稀土掺杂材料和纳米光热材料，在激光的激发下发出荧光，荧光强度会随着温度的变化而改变，纳米光热材料在激光的照射下产生热量。探针外壳使用高导热材料。使用一束光纤传输激光用来激发稀土掺杂材料发光，使用另一束光纤用来采集光热材料受激发后发出的荧光，两束光纤借助光纤耦合器耦合在一起，传输荧光的光纤通过耦合器之后接通光谱仪，光谱仪内置分光光路对入射的荧光进行分光并得到发光强度，最后通过计算机解析比值根据函数关系得到实时温度。
13.一般稀土掺杂材料的发光光强与温度的关系可以通过荧光强度比值法来定义，荧光强度比值法是通过两个不同波长的荧光发光强度的比值随温度的变化，再进行拟合得到该材料对应的函数关系，在实际使用中根据两个不同波长的发光强度比值即可得出实时温度。
14.耦合器的作用是使得本系统各模块具备可组合的特征。各个模块借助光纤作为传输载体与耦合器相连，实现模块化组成，便于更换光纤、激光光源、探头等组件。
15.综上所述，本发明解决了以往激光治疗系统的测温不及时、加热效果难以控制，测温探头体积过大、组件过于集成化不便于维修更换等问题。本发明具有实时测温、温度检测准确度高、加热探针体积小、加热效果好、加热效果可控、模块化便于维修更换组件等优点。
附图说明
16.图1为本发明系统的一种结构示意图。
17.图2为实施例1的探针一种结构示意图。
18.图3为实施例2的红外照片。
19.其中，计算机1、光谱仪2、激光光源3、耦合器4、激光光纤5、测温光纤6、双束光纤7、探针8、温度控制器9、保护套10、螺纹11、光热疗复合材料12。
具体实施方式
20.以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
21.参阅图1，一种可更换探针的光热治疗及温度监测集成系统包括计算机1、光谱仪
2、激光光源3、耦合器4、激光光纤5、测温光纤6、双束光纤7、探针8、温度控制器9。探针8内填充有光热疗复合材料，具备可拆卸结构便于更换不同填充材料的探头，激光光源3所发出的激光通过激光光纤5经耦合器与测温光纤6耦合起来，再通过双束光纤7进行传输至探针8对光热疗复合材料进行激发，发出的荧光通过双束光纤7与测温光纤6传输至光谱仪2进行分光读取，再通过计算机1进行实时计算，获得探针的实时温度，得到温度后通过温度控制器9来控制激光器的功率，从而实现实时监测与实时控温的效果。
22.实施例1如图2所示，本发明提供一种该系统的探针示意图。探针具备圆筒状螺纹结构，直径1 mm，长度20 mm，厚度0.5 mm，不锈钢制成，使用m1螺纹11。探针母体内部固定有两束光纤，分别为测温光纤6与激光光纤5，激光光纤传输功率为0.1 w，波长为808 nm的激光，测温光纤接收600 nm
‑
1300 nm荧光。保护套10为pvc材质，光热疗复合材料12中稀土掺杂材料的掺杂离子为nd
3
和er
3
离子，纳米光热材料为碳纳米管。激光照射到填充材料后发出荧光，被测温光纤6接收后传输至光谱仪分析得到实时温度，温度控制器根据计算机输出的温度来对激光器功率进行调节，当温度上升到50 ℃时，温度控制器以0.01 w 的梯度调节激光器功率，使其维持在该温度水平或逐渐降温。
23.实施例2本发明为一种可更换探针的光热治疗及温度监测集成系统。探针为针状，长度为100 mm，直径为4 mm，外壳厚度为1.5 mm，具备凸起锁定结构，材质为金属金，内部填充光热疗复合材料。100 w功率的激光器发出980 nm激光，经过激光光纤传输照射到探针内部填充nd
3
、yb
3
的稀土掺杂材料与碳纳米管光热材料上。光热疗复合材料产生热量并发出荧光，热量传输至生物组织并将其加热，如图3所示探针对生物组织进行加热的二维热成像图片。荧光范围为600 nm
‑
1200 nm，荧光光纤接收范围为500 nm
‑
1500 nm，荧光进入光谱仪后借助光栅分光系统对850 nm与800 nm的荧光进行分光，并传输至计算机进行计算得到探针实时温度，温度控制器接收到温度信号达到70 ℃时，以100 w的范围调节激光器功率至0 w，完成整个治疗过程。

技术特征：
1.一种可更换探针的光热治疗及温度监测集成系统，其特征在于，包括计算机、光谱仪、激光光源、耦合器、激光光纤、测温光纤、双束光纤、探针、温度控制器；探针内填充有光热疗复合材料，具备可拆卸结构便于更换不同填充材料的探头；激光光源所发出的激光通过激光光纤经耦合器与测温光纤耦合起来，再通过双束光纤传输至探针对光热疗复合材料进行激发，激发的荧光通过双束光纤与测温光纤传输至光谱仪进行分光读取两个不同波长的荧光发光强度，计算机通过荧光强度比值法进行实时计算，获得探针的实时温度，通过温度控制器来控制激光器的功率，从而实现实时监测与实时控温。2.依据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述的光谱仪可探测范围为200 nm
‑
1600 nm；所述的光谱仪在硬件上具备可调谐光栅组成的分光系统，通过两个光路选择性接收特定波长的光，光栅的调节范围为200 nm
‑
1600 nm。3.依据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述的激光光纤传输的激光波长为200 nm
‑
2000 nm，为连续型激光，功率为0.1 w
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100 w；所述的测温光纤接收波长为：200 nm
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1600 nm。4.依据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述的耦合器可将两束光纤合并在同一外包层内，耦合器与两端输入光纤的连接为可拆卸结构，便于更换光谱仪和光纤。5.依据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述的探针长度为20 mm
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100 mm，直径为1 mm
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4 mm，外壳厚度为0.5 mm
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1.5 mm，外壳材质为不锈钢、铂或者金；所述的探针具备子母结构，探针母体具备螺纹结构或锁定结构，探针子端具备与母端匹配的锁定结构。6.依据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述的探针内部填充有光热疗复合材料，光热疗复合材料包括稀土掺杂材料和纳米光热材料，稀土掺杂材料在受到激光激发后发出荧光，纳米光热材料在激光照射下产生热量；所述的稀土掺杂材料发光光谱的范围为200 nm
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1600 nm；所述的稀土掺杂离子包括nd
3
、sm
3
、 eu
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、tb
3
、dy
3
、ho
3
、er
3
、yb
3
、tm
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或lu
3
；所述的纳米光热材料，包括但不限于石墨烯、碳纳米管、石墨、纳米金棒、纳米金片、纳米金球、纳米银棒、纳米银片、纳米银球、纳米铜棒、纳米铜片或者纳米铜球。7.依据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述的温度控制器，接收的温度范围为50 ℃
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70 ℃，可对激光器功率调节的范围为0.01 w
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100 w。
技术总结
本发明公开了一种可更换探针的光热治疗及温度监测的集成系统，包括计算机、光谱仪、激光光源、耦合器、激光光纤、测温光纤、双束光纤、探针、温度控制器；探针内填充有光热疗复合材料，具备可拆卸结构便于更换不同填充材料的探头；激光通过激光光纤经耦合器与测温光纤耦合起来，再通过双束光纤传输至探针对光热疗复合材料进行激发，激发的荧光通过双束光纤与测温光纤传输至光谱仪进行分光读取两个不同波长的荧光发光强度，计算机通过荧光强度比值法进行实时计算，获得探针的实时温度，通过温度控制器来控制激光器的功率，从而实现实时监测与实时控温的效果。本发明体积小，可实时监测控制，具备模块化特点，可更换激光光源、光纤和探针头。针头。针头。


技术研发人员：白功勋 苏泽文 黄友强 徐时清 赵英杰
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29