CN201578365U - 一种肿瘤外科术中荧光导航系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于临床医学外科学，具体涉及一种肿瘤外科术中荧光导航系统，解决现有外科肿瘤切除手术过程中，进行肿瘤边界鉴别，残余肿瘤组织识别和肿瘤转移淋巴结的追踪困难的问题。肿瘤外科术中荧光导航系统，其特征在于包括生物荧光激发光源、导光系统、特异性靶向标记的荧光材料以及摄像设备和与摄像设备连接的图像显示及处理装置。相对现有技术，本实用新型提出了肿瘤外科术中荧光导航的概念，医师在荧光观测镜或摄像显示系统下，进行肿瘤边界鉴别，残余肿瘤组织识别，肿瘤转移淋巴结追踪，彻底切除肿瘤组织，有效提高手术治疗效果，降低肿瘤患者死亡率，将使肿瘤外科产生质的飞跃。

Description

一种肿瘤外科术中荧光导航系统

技术领域

本实用新型属于临床医学外科学，具体涉及一种肿瘤外科术中荧光导航系统。

背景技术

根据世界卫生组织调查，在2005年有7,600,000让人死于癌症，占所有死亡者58,000,000比例的13％。例如美国每年有130万非皮肤癌患者，有一半通过手术切除治愈，约有5％通过化疗和/或放疗治愈，其余患者不能治愈。其中不能治愈的主要原因是外科手术不能将肿瘤彻底切除，比如术中不能正确识别肿瘤范围，不能明确微小转移灶等。

而现有术中影像检查，由于多种因素限制其应用。比如，碘油血管造影能看清血管结构，但病人和医护人员要暴露在X射线下，并且毫摩尔浓度的碘油对病人都有肾毒性；超声被广泛应用，但超声对肿瘤的特异性和灵敏度太低；磁共振能提供清晰的结构信息，但是到目前为止对比法不敏感，几乎没有靶向的对比剂，而且设备笨重也影响它在一些外科手术过程中的应用。放射性闪烁显像使用较多，也不符合外科手术室的空间结构。其次术中成像不能实施的原因之一是缺乏肿瘤特异性对比剂。所以需要探讨一种新的术中成像模式。

发明内容

本实用新型为了解决现有外科肿瘤切除手术过程中，进行肿瘤边界鉴别，残余肿瘤组织识别和肿瘤转移淋巴结的追踪困难的问题，提供了一种肿瘤外科术中荧光导航系统，实现一种新的术中成像模式。

本实用新型采用如下的技术方案实现：

肿瘤外科术中荧光导航系统，其特征在于包括生物荧光激发光源、导光系统、特异性靶向标记的荧光材料以及摄像设备和与摄像设备连接的图像显示及处理装置；

生物荧光激发光源包括灯源和滤光系统，灯源为能发出白炽光、365-405nm、445-490nm、500-555nm、615-665nm和710-760nm波长范围的灯源(以及理论上需要的任一波段的光)，滤光系统包括可转动的滤光轮以及安装于滤光轮上的365-405nm、445-490nm、500-555nm、615-665nm和710-760nm波长的激发滤光片；

摄像设备的镜头前端可拆卸式安装截止滤光片，截止滤光片可以随时卸除或更换。

所述的光源为氙灯、金属卤素灯、汞灯或者激光光源。

荧光材料包括绿色荧光染料、红色荧光染料、远红外光染料或者近红外光染料，如果激发自体荧光的时候不需要使用荧光材料。

摄像设备包括单反数码相机、CCD摄像机、制冷CCD或者头戴式荧光观察镜。

单反数码相机、CCD摄像机、制冷CCD或者头戴式荧光观察镜都适用于各种开放式手术，但头戴式荧光观察镜更适应与手术，医生佩带操作灵活。单反数码相机、CCD摄像机、制冷CCD荧光成像的灵敏度不同，其中制冷CCD成像效果最好，内窥镜肿瘤手术荧光导航系统适用于非制冷CCD摄像机，外科手术显微镜荧光导航系统采用CCD摄像机、制冷CCD都可以。

导光系统采用液体导光管或者光导纤维。

本实用新型可用于开放手术术中荧光导航系统、外科手术显微镜荧光导航系统或者内窥镜荧光导航系统。生物荧光激发光源发射某段特定波长的激发光，能够使标有特异性荧光标记物的组织细胞在吸收某段特定波长的激发光后，使处于基态最低能级的荧光物质分子吸收和它具有相同特征频率的光线，而跃迁到更高的电子激发态的各个振动能级，处于更高电子激发态的各个振动能级的分子，在返回到基态的各个不同振动能级过程中，会发射出相应的光量子，产生荧光，透过截止滤光片和摄像设备观察到荧光影像，指导医生进行手术治疗。

相对现有技术，本实用新型提出了肿瘤外科术中荧光导航的概念，肿瘤外科术中荧光导航是指患有肿瘤疾病的生物活体，在静脉或局部注射特异性靶向荧光染料后，机体手术视野在特定波长光波的照射下，肿瘤组织和肿瘤细胞会发射出一定波长的荧光，医师在荧光观测镜或摄像显示系统下，进行肿瘤边界鉴别，残余肿瘤组织识别，肿瘤转移淋巴结追踪，彻底切除肿瘤组织，有效提高手术治疗效果，降低肿瘤患者死亡率，将使肿瘤外科产生质的飞跃。

附图说明

图1为开放手术术中荧光导航系统的示意图

图2为生物荧光激发光源的内部结构示意图

图中：1-生物荧光激发光源，2-导光系统，3-肿瘤，4-摄像设备，5-图像处理设备，6-图像显示设备；

1.1-风扇，1.2-风扇架，1.3-光源，1.4-灯架，1.5-绝缘板，1.6-底板，1.7-冷反光镜，1.8-滤光轮，1.9-导光座，1.10-导光管。

具体实施方式

肿瘤外科术中荧光导航系统，包括生物荧光激发光源1、导光系统2、特异性靶向标记的荧光材料以及摄像设备4和与摄像设备4连接的图像显示及处理装置。本实用新型的功能是在外科肿瘤切除手术过程中进行肿瘤边界鉴别，残余肿瘤组织识别和肿瘤转移淋巴结的追踪。患有肿瘤疾病的生物活体，在静脉或局部注射特异性靶向荧光染料后，机体手术视野在特定波长光波的照射下，肿瘤组织和肿瘤细胞会发射出一定波长的荧光，医师在荧光观测镜或CCD摄像显示器等摄像设备下示踪肿瘤组织，导引外科医师彻底切除肿瘤组织。

1、生物荧光激发光源具体结构如下：

1.1、灯源

灯源是生物荧光激发光源多波段光源最重要的部件之一，其为能发出白炽光、365-405nm、445-490nm、500-555nm、615-665nm和710-760nm波长范围的灯源(以及理论上需要的任一波段的光)，如：氙灯、金属卤素灯、汞灯或者激光光源，尤以氙灯(元素符号为Xe)，发光效率高。灯源通过灯架和绝缘板安装于底板上，光源前端设置冷反光镜。另外为了提高功率因数，减少电路损失，可配置由升压变压器、脉冲变压器、旁路电容器等组成的启动装置线路。此外，灯源，尤其氙灯的工作温度很高，并配置风冷，以延长灯泡寿命。

多波段光源各波段的主要用途为：

1)、LIF 365-405nm，主要用于自体荧光的激发，

自体荧光即生物体内一些物质不需外源荧光染料染色即可受激发发出荧光的现象。在医学上，有运用电射引发人体内的自体荧光，用以诊断癌症等疾病的方式。

比如：荧光阴道镜下：宫颈表面荧光显示紫色、紫黑色为固有荧光阳性，提示有病变，出现蓝白色为阴性，提示无恶性病变，显示枯黄色为炎症。

2)、Green 445-490nm，绿色荧光的激发

445-490nm是绿色荧光蛋白(GFP)，增强型绿色荧光蛋白(EGFP)，异硫氰酸荧光素(Fluorescein isothiocynate，FITC)的激发光，用于活细胞和动物等活体绿色荧光的研究。

3)、Red 500-550nm，活体红色荧光标记

500-550nm是DsRed，PKH26荧光示踪剂(PKH26)，Qdot605的激发光，用于活细胞和动物等活体红色荧光标记的研究。

4)、Far-red 615-665nm

Cy5.5，Alexa Fluor，Qdot705

5)、NIR 710-760nm

710-760nm是吲哚菁绿(ICG)，Qdot800近红外光的激发光，激发近红外荧光团产生荧光，进行肿瘤外科的术中导航。

1.2、滤光系统

滤光系统主要指的是生物荧光激发光源箱体内灯源前的滤光轮以及其上安装的滤光片，多采用高质量带通式干涉滤光片，本实用新型共安装白炽光(也即空白)，365-405nm、445-490nm、500-555nm、615-665nm和710-760nm，等5个激发滤光片，当选择一个波段的光时，滤光轮便将相应的激发滤光片转到灯源前面，将灯源发出的光进行滤光，让需要的光通过，不需要的光截止，理论上可发出我们所需要的任意一个波段的光。

1.3、箱体

对于箱体主要的要求是不漏光、坚固、结构合理。

1.4、控制、显示系统

对于波段选择，一般在箱体上都有一个波段调节旋钮与滤光轮连接，一个光强度调节旋钮控制灯源的输出光强度，以及显示当前工作波段的液晶显示屏。

2、导光系统

导光管包括导光管，可以为液体导光管或者光纤维。通常采用液体导光管，液体导光管成本较高，但有较高的透过率。

导光管的输出口有多种接口方式，可以与内窥镜导光束、活体成像仪、荧光显微镜等连接。

3、特异性靶向标记的荧光材料

生物体在外界强光的短暂照射下可诱导生物系统的光子发射。这种随时间衰弱的诱导发光的强度远大于生物体自发光强度。可以用于疾病诊断和食品质量的检测。由于肿瘤患者和健康人相比，其血液和病变器官与组织的发光光子强度升高，在癌症的诊断方面有很好的应用，可以在肿瘤早期找出其存在位置，实现肿瘤的早期诊断和治疗。

荧光物质与肿瘤组织有很好的亲和力，让患者静脉注射或口服光敏剂等荧光材料，再接受光照，可以发射出更加明亮的荧光，确定肿瘤位置。

如异硫氰酸荧光素为与蛋白质结合，最大吸收光波长为490～495nm，最大发射光波长为520～530nm，呈现明亮的黄绿色荧光；四甲基异硫氰酸罗丹明，最大吸收光波长为550nm，最大发射光波长为620nm，呈现橙红色荧光。

绿色荧光蛋白(GFP)标记的肿瘤被移植到小鼠的大肠或皮下，在蓝光下的全身成像，能够实时观察活体小鼠体内荧光标记的肿瘤。

此外，多种荧光成像材料与先进的光学成像技术相结合，为实时地动态地监测细胞内和生物活体内的分子事件提供强有力的实验手段，为揭示生命活动规律及研究疾病的发生、诊断、治疗提供了新技术新方法，极大地促进了生命科学的发展。随着荧光标记研究领域的日益深入，将对肿瘤外科产生深远的影响。

本实用新型所述的系统能激发和摄取生物机体及其活体荧光染料产生的自体荧光、绿色荧光、红色荧光、远红外光和近红外光，并相应荧光成像。系统在活体静脉注射不同荧光染料后进行荧光导航：第1类为绿色荧光染料，如绿色荧光蛋白，荧光素钠、第2类为红色荧光染料，如红色荧光蛋白，光卟啉、第3类为远红外光染料、第4类为近红外光染料，如量子点，等产生不同波长的染料。

4、摄像设备

摄像设备通常包括第1类为单反数码相机；第2类是高灵敏CCD；第3类是制冷CCD；第4类为头戴眼镜式。摄像设备与图像显示和图像处理设备连接，如电脑等。

摄像设备的镜头可拆卸式前端安装截止滤光片。

依托本实用新型可形成四种型号系统，第1种型号为内窥镜肿瘤手术荧光导航系统，主要适用于各种内窥镜手术，如膀胱肿瘤电切术；第2种型号是外科手术显微镜荧光导航系统，主要用于神经外科肿瘤切除的导航；第3种型号是开放手术荧光导航系统；第4种型号手术医师头戴式荧光观察镜。如图1所示：开放手术术中荧光导航系统，光源：是能够输出710-760nm光波的光源；导光纤维：近红外光通过近红外导光纤维照射肿瘤可疑部位；摄像机：采用近红外摄像机或戴有近红外滤光片的高灵敏摄相机；图象通过计算机和显示器显示。

实施例1：

采用脂质体2000介导的基因转染法，将chickenβ-actin-DsRed-Neo载体转染到小鼠膀胱癌BTT739细胞系；G418筛选，获得稳定表达红色荧光蛋白(DsRed)的单克隆细胞株(BTT739-DsRed)；建立移植瘤模型；肿瘤外科术中荧光导航记录肿瘤生长转移相关的荧光影像和荧光强度。结果表明DsRed标记的BTT-739细胞系在荧光显微镜下为红色荧光，将该细胞种植在小鼠皮下，建立小鼠膀胱癌移植瘤模型后第7日，肿瘤外科术中荧光导航，激发光波长560～580nm，发射光波长为590～610nm，肿瘤呈发红色荧光，肿瘤荧光强度逐渐增强，28日观测到局域淋巴结转移，未见远处转移；肿瘤大小与荧光强度呈线性正相关。

生物体在外界强光的短暂照射下可诱导生物系统的光子发射。这种随时间衰弱的诱导发光的强度远大于生物体自发光强度。可以用于疾病诊断和食品质量的检测。由于肿瘤患者和健康人相比，其血液和病变器官与组织的发光光子强度升高，在癌症的诊断方面有很好的应用，可以在肿瘤早期找出其存在位置，实现肿瘤的早期诊断和治疗。

实施例2：

荧光物质与肿瘤组织有很好的亲和力，让患者静脉注射或口服光敏剂后(48～72小时)，再接受光照，记录荧光光谱特性曲线，可以确定肿瘤位置。还有自体荧光光谱诊断不需要外加光敏制剂，利用人体组织在激光下产生的荧光来进行光谱分析分辨肿瘤。无需口服或注射光敏剂，是一种无侵害性的、快捷诊断技术。

实施例3：

在荧光分子成像中，为了对感兴趣的生物分子过程进行辨别，需要借助于荧光分子探针进行观察和定量分析，此外，还有标记抗体的荧光素，异硫氰酸荧光素为与蛋白质结合，最大吸收光波长为490～495nm，最大发射光波长为520～530nm，呈现明亮的黄绿色荧光；四甲基异硫氰酸罗丹明，最大吸收光波长为550nm，最大发射光波长为620nm，呈现橙红色荧光。

实施例4：

绿色荧光蛋白(GFP)标记的肿瘤被移植到小鼠的大肠或皮下，在蓝光下的全身成像，能够实时观察活体小鼠体内荧光标记肿瘤的生长和转移并实时成像。GFP全身成像技术在动物体外操作，对动物无创，能够连续监测肿瘤在完整动物体内的恶性生长和转移的情况。

此外，还有红色荧光蛋白和量子点等荧光光团，被应用与活细胞成像，以及用于细胞内源蛋白、表皮蛋白、细胞内组分、及细胞内外受体运输途径的研究。

实施例5：

使用荧光素钠作光敏剂进行荧光引导胶质母细胞瘤切除手术，发现病理学检查中显示强荧光的区域表现为富含肿瘤细胞并具较强的血管反应。坏死区域没有荧光，弱荧光的区域可见少量肿瘤细胞。

目前生物医学光子学刚刚起步，外科手术显微镜、内窥镜等还仅仅停留在传统生物学研究的水平，所以需要对这类设备进行根本的改变，而本实用新型将弥补这些设备的不足，将进一步拓展其功能，扩充荧光导航的功能，促进微创医学事业的迅猛发展。

Claims (5)

1.一种肿瘤外科术中荧光导航系统，其特征在于包括生物荧光激发光源(1)、导光系统(2)、特异性靶向标记的荧光材料以及摄像设备(4)和与摄像设备(4)连接的图像显示及处理装置；

生物荧光激发光源(1)包括光源和滤光系统，光源为能发出白炽光、365-405nm、445-490nm、500-555nm、615-665nm和710-760nm波长范围的光源，滤光系统包括可转动的滤光轮(1.8)以及安装于滤光轮(1.8)上的365-405nm、445-490nm、500-555nm、615-665nm和710-760nm波长的激发滤光片；

摄像设备(4)的镜头前端可拆卸式安装截止滤光片。

2.根据权利要求1所述的肿瘤外科术中荧光导航系统，其特征在于所述的光源为氙灯、金属卤素灯、汞灯或者激光光源。

3.根据权利要求1或2所述的肿瘤外科术中荧光导航系统，其特征在于荧光染料包括绿色荧光材料、红色荧光材料、远红外光染料或者近红外光染料。

4.根据权利要求3所述的肿瘤外科术中荧光导航系统，其特征在于摄像设备(4)包括单反数码相机、CCD摄像机或者头戴式荧光观察镜。

5.根据权利要求4所述的肿瘤外科术中荧光导航系统，其特征在于导管系统(2)包括导光管为液体导光管或者光导纤维。

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