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(dòng)力療法（Photodynamic Therapy,PDT）是聯(lián)合應(yīng)用特定波長(zhǎng)照射光、內(nèi)源性或外源性光敏劑和氧分子，通過光動(dòng)力學(xué)反應(yīng)選擇性破壞病變組織，達(dá)到治療目的的一種無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)治療技術(shù)，在醫(yī)療、醫(yī)學(xué)美容領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-9］。影響光動(dòng)力療效的因素主要涉及3 個(gè)方面：光源、光敏劑和氧分子［10］。近年來(lái)，隨著不同波長(zhǎng)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(yīng)用于臨床PDT治療［11-14］。然而，光動(dòng)力療法在治療過程中“乏氧”嚴(yán)重影響PDT 療效是臨床公認(rèn)原因，近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始著力研究氧在光動(dòng)力治療機(jī)制中的作用，明確氧分子作為光動(dòng)力反應(yīng)是必不可少的反應(yīng)物，在PDT中起著不可或缺的重要作用［15-17］。但這些研究?jī)H停留在理論上，在實(shí)踐應(yīng)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(lái)保持治療區(qū)域的富氧狀態(tài)［15］。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)人從光動(dòng)力治療設(shè)備方向解決光動(dòng)力的乏氧問題。針對(duì)上述不足，本文研制了純氧及LED 陣列光動(dòng)力復(fù)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力治療光源時(shí)存在的光能利用率低、光功率密度分布不均勻、不同波長(zhǎng)光束在目標(biāo)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(zhǎng)、價(jià)格便宜、光源帶寬窄、能同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)不同峰值波長(zhǎng)發(fā)射光等一系列優(yōu)勢(shì)。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(shí)間，通過身體自身血液循環(huán)反復(fù)補(bǔ)充血管氧含量。

1 總體設(shè)計(jì)方案

所研制設(shè)備總體框圖如圖1所示。設(shè)備由主機(jī)和與主機(jī)相連接的氧/光復(fù)合輻照器及多種外源性給氧附件組成，其中主機(jī)包括控制單元、PSA制氧單元、光源驅(qū)動(dòng)單元、氧濃度檢測(cè)單元、人機(jī)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(jī)交互、參數(shù)設(shè)置、治療參數(shù)檢測(cè)以及輸出控制，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)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(fù)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(lán)光和520 nm 綠光。輻照器通過3D 阻停自動(dòng)懸吊臂［19］與主機(jī)進(jìn)行機(jī)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(shí)容易實(shí)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(duì)患者體表進(jìn)行光照射的同時(shí)，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(duì)全氟碳化合物攜氧液等常用輔助藥物進(jìn)行水合霧化噴射的噴氧槍、進(jìn)行純氧無(wú)針注射的單頭/三頭注氧手具和進(jìn)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(duì)PSA 制氧單元進(jìn)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(jī)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(duì)光源驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行控制，產(chǎn)生紅光、藍(lán)光和綠光光源熄滅/點(diǎn)亮信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輻照器內(nèi)的光源實(shí)現(xiàn)一種波長(zhǎng)或多種波長(zhǎng)輻照光同時(shí)或循環(huán)交替地對(duì)患者體表皮膚進(jìn)行連續(xù)或間歇的光排序照射，且對(duì)照射光輸出強(qiáng)度能夠進(jìn)行1～10檔的有級(jí)調(diào)節(jié)。

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

基于STC 系列單片機(jī)為核心控制芯片的控制單元采用串口通訊與人機(jī)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(chǔ)在智能顯示終端內(nèi)部FLASH上設(shè)計(jì)好的圖片和圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)用戶界面（UI）顯示，顯示方案具有UI設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、產(chǎn)品穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

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(shí)現(xiàn)設(shè)備與智能終端或服務(wù)器建立有線或無(wú)線鏈接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2 氧/光復(fù)合輻照器

氧/光復(fù)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(xué)系統(tǒng)、氧氣噴嘴陣列、距離傳感器以及距離檢測(cè)電路構(gòu)成。其中，前光學(xué)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(xué)透鏡陣列位于前光學(xué)透鏡陣列的前面，兩者距離為15 mm，三者相互平行。前、后光學(xué)透鏡陣列上的各小透鏡的中心重合且各邊一一對(duì)應(yīng)。

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

光學(xué)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(gè)面光源。由每個(gè)多光譜LED 發(fā)光器件產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的平行準(zhǔn)直且光斑均勻的細(xì)光束構(gòu)成面光源的寬光束。當(dāng)寬光束入射到前光學(xué)透鏡陣列上時(shí)，前光學(xué)透鏡陣列上的多個(gè)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(shí)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(xué)透鏡陣列上的每一個(gè)透鏡將前光學(xué)透鏡陣列上對(duì)應(yīng)小透鏡出射的光重新聚集后出射到目標(biāo)靶面上，各光斑在目標(biāo)靶面相互疊加且不均勻性相互補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)靶面的均勻輻照［18］。上述光路結(jié)構(gòu)不僅提高光動(dòng)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(zhǎng)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(xué)系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)Fig.3 Optical stru cture of the optical system of irradiator

氧/光復(fù)合輻照器的內(nèi)部分解結(jié)構(gòu)如圖4a 所示。140 個(gè)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(gè)區(qū)域分段平面緊密排布組成200 mm×400 mm面光源。前、后光學(xué)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(xué)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(shí)，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(shí)的氧/光復(fù)合輻照器樣機(jī)。

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

如圖4a 所示，在前、后光學(xué)透鏡陣列3、4 的左、中、右3 個(gè)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(xué)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(jìn)氣接口相連。此外，安裝在輻照部外殼6 左右兩側(cè)的風(fēng)扇5 對(duì)光源產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻。

圖2所示中距離傳感及距離檢測(cè)電路用于測(cè)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(cè)距模塊，測(cè)距精度±1.0 mm。實(shí)時(shí)測(cè)量的距離值以BCD 碼格式通過主機(jī)上UART 接口傳送給控制單元。控制單元根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量距離值查找預(yù)先存儲(chǔ)標(biāo)定的距離-光照功率密度關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，并采用線性插值方法計(jì)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(zhǎng)、光強(qiáng)衰減小的優(yōu)點(diǎn)，因此上述通過標(biāo)定測(cè)量建立的距離-光照功率密度關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)可以較為長(zhǎng)期地存儲(chǔ)在控制單元中，實(shí)現(xiàn)通過對(duì)距離的測(cè)量間接完成患者治療區(qū)域各峰值波長(zhǎng)照射光的光照功率密度值的準(zhǔn)確測(cè)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(jìn)行光照功率密度實(shí)時(shí)檢測(cè)比較，該間接光照功率密度檢測(cè)方案不會(huì)對(duì)治療部位產(chǎn)生局部的照射光遮擋，而且使用過程簡(jiǎn)易。對(duì)距離-光照功率密度進(jìn)行重新標(biāo)定測(cè)量后所建立的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)是通過主機(jī)內(nèi)WiFi通訊單元與智能終端或服務(wù)器建立有線或無(wú)線鏈接后進(jìn)行更新。

3 PSA制氧單元

主機(jī)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(jìn)氣消音/過濾器被送到壓縮機(jī)加壓，所產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)冷卻器進(jìn)行冷卻。冷卻氣體經(jīng)去水器去除水分后進(jìn)入氣源分配器。氣源分配器對(duì)左、右吸附塔內(nèi)的分子篩進(jìn)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(chǔ)氧桶內(nèi)，而脫附產(chǎn)生的氮?dú)饨?jīng)排氮/消音器排出?？刂茊卧x擇性地對(duì)噴氧、注氧、吸氧及輻照器噴氧孔電磁閥進(jìn)行通斷控制，實(shí)現(xiàn)將氧氣分別送到主機(jī)外殼上的噴氧、注氧、吸氧或輻照器噴氧孔輸出接口。

當(dāng)設(shè)備選擇注氧輸出時(shí)，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(dòng)作，其中，閉合時(shí)間50～250 ms，重復(fù)周期0.1～10.0 s。在注氧電磁閥閉合時(shí)，儲(chǔ)氧桶內(nèi)的純氧被送至連接在主機(jī)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(xì)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(gè)吸附塔所產(chǎn)生的小部分氧氣對(duì)另一個(gè)處于泄壓排氮狀態(tài)的吸附塔進(jìn)行回充，使得其氮?dú)獾慕馕龈映浞帧?/p>

冷卻器采用翹片式銅管氣體散熱器，并同時(shí)使用冷卻風(fēng)扇對(duì)翹片進(jìn)行風(fēng)冷。設(shè)置在冷卻器后端的去水器對(duì)氣體進(jìn)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(dāng)收集水量達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)，冷卻器自動(dòng)將容器內(nèi)的水排出。

氣源分配器采用專利號(hào)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(jiǎn)單、成本低、故障少，而且其優(yōu)化設(shè)計(jì)的吸附-解析時(shí)間周期能夠大大提升制氧效率。

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

圖6 PSA制氧單元樣機(jī)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(dá)到充分利用自身血液循環(huán)反復(fù)補(bǔ)充治療區(qū)域血管氧含量和發(fā)揮多光譜光動(dòng)力治療的優(yōu)勢(shì)。圖1中的控制單元依據(jù)人機(jī)交互選擇的照射光波長(zhǎng)、光排序輻照模式和輸入的光功率密度、光劑量等參數(shù)，計(jì)算達(dá)到設(shè)定的光劑量所需要的治療時(shí)間并形成光源控制信號(hào)。

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(zhǎng)的照射光對(duì)治療區(qū)域進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)間歇照射，直至達(dá)到設(shè)定光劑量，停止該波長(zhǎng)光對(duì)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(hào)如圖7所示，Toff為暗周期時(shí)間，照射光處于熄滅狀態(tài)；Ton為亮周期時(shí)間，照射光處于脈寬調(diào)制下的點(diǎn)亮狀態(tài)；f為對(duì)照射光進(jìn)行脈寬調(diào)制的頻率；ton為脈寬調(diào)制的光照射時(shí)間，通過對(duì)ton的控制實(shí)現(xiàn)照射光輸出強(qiáng)度1～10檔的有級(jí)調(diào)節(jié)；tc為該波長(zhǎng)的照射光使治療區(qū)域達(dá)到設(shè)定的光劑量所需要的治療時(shí)間。

圖7 第一光排序輻照模式下照射光控制信號(hào)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(zhǎng)的照射光同時(shí)對(duì)治療區(qū)域進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)的間歇照射，當(dāng)其中一種波長(zhǎng)光的光劑量達(dá)到其預(yù)先設(shè)定值時(shí)，停止該波長(zhǎng)光的照射，另一波長(zhǎng)光繼續(xù)對(duì)治療區(qū)域進(jìn)行照射，直至達(dá)到其預(yù)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(hào)如圖8所示，tc1、tc2和tc3分別為第一、第二和第三種波長(zhǎng)的照射光使治療區(qū)域達(dá)到預(yù)設(shè)的光劑量所需要的治療時(shí)間。第二光排序輻照模式下所需要的治療時(shí)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(hào)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(zhǎng)的照射光循環(huán)交替地對(duì)治療區(qū)域進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)的間歇照射，當(dāng)其中一種波長(zhǎng)光的光劑量達(dá)到其預(yù)先設(shè)定值時(shí)，停止該波長(zhǎng)光的照射，另一波長(zhǎng)光繼續(xù)對(duì)患者治療區(qū)域進(jìn)行照射，直至達(dá)到其預(yù)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(hào)如圖9所示，tc1、tc2和tc3分別為第一、第二和第三種波長(zhǎng)的照射光使治療區(qū)域達(dá)到預(yù)設(shè)的光劑量所需要的治療時(shí)間。第三光排序輻照模式下所需要的治療時(shí)間tc=tc1+tc2+tc3。

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

5.1 輻照光性能測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)制作的樣機(jī)，在室溫25 °C、相對(duì)濕度75%的暗室實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)625 nm 紅光、520 nm 綠光和465 nm 藍(lán)光，使用光功率計(jì)測(cè)量各個(gè)波長(zhǎng)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(cè)量區(qū)域，并將測(cè)量位置設(shè)在各區(qū)域的幾何中心點(diǎn)上。將測(cè)量點(diǎn)的光功率密度值記為Ei，同時(shí)利用Solidworks 三維作圖軟件，以測(cè)量值Ei為Z軸坐標(biāo)值，測(cè)量點(diǎn)為x、y 坐標(biāo)值，在同一坐標(biāo)系中分別構(gòu)建3 個(gè)波長(zhǎng)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(hào)Fig.9 Illumination-controlled signal in the third light sorting irradiation mode

圖10 3個(gè)不同波長(zhǎng)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(jì)算3個(gè)波長(zhǎng)照射光在光斑靶面的照度均勻性。3 個(gè)波長(zhǎng)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(gè)光功率密度測(cè)量值；Eave表示照射靶面光功率密度的平均值。

上述測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，來(lái)自輻照器3個(gè)不同波長(zhǎng)照射光由于前、后光學(xué)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(zhǎng)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(píng)價(jià)輻照器光照穩(wěn)定度和光熱效應(yīng)的參考值，使用熱電偶測(cè)溫儀測(cè)量溫度。分別選擇樣機(jī)的3種波長(zhǎng)照射光，以最大功率密度連續(xù)輻照，每隔5 min測(cè)量一次數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)量10 次。結(jié)果數(shù)據(jù)表明，在50 min 內(nèi)，3個(gè)波長(zhǎng)照射光的功率密度基本保持不變，光照穩(wěn)定；3種波長(zhǎng)照射光中465 nm波長(zhǎng)照射光熱效應(yīng)最大，但所引起的溫升也小于0.5°C，這一溫度變化對(duì)光動(dòng)力治療不會(huì)產(chǎn)生影響。465 nm波長(zhǎng)照射光在照射靶面中心區(qū)域功率密度與溫度隨光照時(shí)間變化曲線如圖11所示。

表1 3種不同波長(zhǎng)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(shí)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(shí)驗(yàn)比對(duì)

選用三陰性乳腺癌細(xì)胞進(jìn)行樣機(jī)的體外實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行。其中，實(shí)驗(yàn)組采用純氧與光動(dòng)力復(fù)合照射，氧濃度92%，流量6.5 L/min；對(duì)照組僅采用光動(dòng)力照射。兩組使用相同的光照射參數(shù)：紅、藍(lán)光循環(huán)交替連續(xù)照射；樣機(jī)輸出光強(qiáng)度設(shè)置至6 檔，即紅光功率密度33 mW/cm2，藍(lán)光功率密度48 mW/cm2；亮周期Ton=1.5 s，暗周期Toff=0 s；靶目標(biāo)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(xì)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(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的樣機(jī)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(xì)胞/死細(xì)胞雙染色試劑盒同時(shí)對(duì)培養(yǎng)板細(xì)胞進(jìn)行染色，在熒光顯微鏡下使用488 nm 波長(zhǎng)激發(fā)觀察腫瘤細(xì)胞的變化，并對(duì)活細(xì)胞和死細(xì)胞數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于乙酰氧基甲酯AM 能夠穿透活細(xì)胞膜并進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)，酯酶會(huì)將其水解為鈣黃綠素Calcein 留在細(xì)胞內(nèi)，在488 nm 波長(zhǎng)激發(fā)下發(fā)出黃綠色熒光。而死亡細(xì)胞由于碘化丙啶PI 穿過死亡細(xì)胞膜的無(wú)序區(qū)域而達(dá)到細(xì)胞核，并嵌入細(xì)胞的DNA 雙螺旋，從而在488 nm 波長(zhǎng)激發(fā)下產(chǎn)生紅色熒光。實(shí)驗(yàn)組樣本腫瘤細(xì)胞殺死率為98.85%，對(duì)照組樣本腫瘤細(xì)胞殺死率為75.6%，且紅色熒光在培養(yǎng)板分布均勻。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在使用純氧及LED 陣列光動(dòng)力復(fù)合治療設(shè)備下，采用純氧與光動(dòng)力復(fù)合照射的腫瘤細(xì)胞殺死率明顯高于僅采用光動(dòng)力照射；紅、藍(lán)光照射在目標(biāo)靶面的光功率密度分布曲面相似度對(duì)培養(yǎng)板上死亡細(xì)胞分布的均勻性形成有益影響。

6 結(jié)論

本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外光動(dòng)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(jì)并研制純氧及LED陣列光動(dòng)力復(fù)合治療設(shè)備。輻照器的多個(gè)不同峰值波長(zhǎng)發(fā)射光不僅能提高具有多個(gè)特征吸收光譜峰值光敏劑的光動(dòng)力反應(yīng)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(qiáng)光動(dòng)力治療的臨床效果。通過進(jìn)一步臨床治療效果的深入研究與驗(yàn)證，在光動(dòng)力治療領(lǐng)域有良好的市場(chǎng)推廣前景。