第二代激光光动力肿瘤治疗系统研制
作者：王瑞平 李迎新 赵秋生
单位：天津医科大学 生物医学工程系, 天津 300070
关键词：光动力学疗法；肿瘤治疗；半导体激光器；微机控制
中国医学物理学杂志000309 摘要: 目的: 为满足临床光动力治疗的需要,寻求比630 nm更长波长的激光光源。方法:选用670 nm半导体激光器,采用基于两级结构的微机控制系统,上位管理机既可完成参数打印、数据存档等功能,又可向下位控制机传送控制命令,下位控制机既可独立使用完成实时控制,又可向上位管理机传送数据。结果:实现并生成了与第二代光敏剂相适应的第二代激光光动力治疗系
中图分类号: R730.57 文献标识码: B 文章编号: 1005-202X(2000)03-0146-02
The development of the diode laser device for tumor
, 百拇医药
WANG Rui-ping, LI Ying-xin, ZHAO Qiu-sheng
(Department of biomedical engineering,Tianjin medical university,Tianjin 300070, China)
Abstract In order to find a laser with a wavelength longer than 630nm currently used in the first-generation PDT.we developed a diode laser treatment system with 670nm wavelength which correspond to the second-generation photosensitizer .The laser controlled by a distributed microcomputer monitoring system . The supervisory computer is used not only to store data and print parameters,but also to transfer controlling words to the controlling microcomputer .The controlling microcomputer is not only used to transfer data to the supervisory computer ,but also can be used to finish controlling the operations independently.
, 百拇医药
In order to find a laser with a wavelength longer than 630nm currently used in the first-generation PDT.we developed a diode laser treatment system with 670nm wavelength which correspond to the second-generation photosensitizer .The laser controlled by a distributed microcomputer monitoring system . The supervisory computer is used not only to store data and print parameters,but also to transfer controlling words to the controlling microcomputer .The controlling microcomputer is not only used to transfer data to the supervisory computer ,but also can be used to finish controlling the operations independently.
, http://www.100md.com
Key words Photodynamic therapy ;Tumor Diode laser; Microcomputer monitoring
光动力学疗法(Photodynamic TherapyPDT)治疗恶性肿瘤是近二十年兴起的并不断发展的新技术。光动力作用的发生需要光敏剂、适当波长的光、适当浓度的氧和适当的温度四个条件的同时存在[1.2]。
光敏剂能否被激发依赖于激发光的波长,若使PDT达到最佳治疗效果,最好是采用光敏剂吸收峰附近的光源[3]。所以,激发光源的选择原则一是光敏剂所能吸收的频谱;二是有一定的组织穿透性。从可见光到红外光(波长在400～900 nm)的光线对组织的穿透性随波长的增长而增加。第二代光敏剂的吸收峰为670 nm或690 nm[4～5]。由于第一代光敏剂所具有的对生物组织穿透性差,吸收谱宽,从而副作用大等不足,使得第二代光敏剂及与其相适应的光源成为该疗法所追求的目标。目前,国外虽已有670 nm的半导体激光光源,但用作光动力疗法的[6]、有微机控制系统的治疗系统尚未见报道,这也正是我们所做的工作。
, 百拇医药
1 系统总体设计
半导体激光肿瘤治疗仪系统采用两级结构,分为上位管理机和下位控制机。
上位管理机为486以上兼容机,其软件是使用Visual Basic在Windows环境下开发的,简单、易学、易掌握,它完成数据接受(通过RS232接口),参数设定,数据存储、数据打印等。
下位控制机以MCS-51系列单片机为核心,使用D/A转换芯片0832控制和调节激光管的输出功率,使用模拟开关7501采用分时技术,用A/D转换芯片AD574检测激光管的工作电流、工作电压、控制电压等,检控激光管的工作状态,使其工作在允许电压和电流下。下位控制机完成控制、功率检测等。
上位管理机与下位控制机之间采用RS-232接口进行串行通讯,完成数据传输。其硬件结构框图如图1所示。
, 百拇医药
2 下位控制机的主要构成
2.1 主控模块
图1虚框内为下位控制机硬件结构。由MCS-51系列单片机8031芯片、扩展芯片8255、D/A转换芯片0832等组成主控模块。通过TC232接口芯片与上位管理机进行通讯,串行通讯的波特率可达9600 Bit/S,另外使用64 KEEROM作程序存储器。
2.2 检测模块
采用A/D转换芯片AD574、8路模拟输入开关7501、光电池、采样电阻等组成检测模块。8路模拟输入开关7501各输入通道分别接系统自检时的+5 V、0 V、激光器工作电流(1 Ω的采样电阻与激光管串联)、激光器控制电压、光功率检测时的光电传感器所生电压,模拟开关AD7501把五路模拟参数分时地接通送入模/数转换器AD574。
由于半导体激光管为电流控制的激光管,激光管的输出光功率主要受工作电流的控制,与激光管两端的电压关系不大。因此,我们通过调节激光管的工作电流来调节激光管的发光功率,选取阻值为1 Ω的采样电阻RSAMPLE与激光管串联,RSAMPLE的电压即为流过激光管的电流,通过模拟开关7501在系统自检时,检测RSAMPLE的电压即激光管的电流,保证激光管在允许电流范围内工作。
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图1 系统硬件结构框图
2.3 半导体制冷模块
本系统采用XMT-72型数字式温度调节器与热电偶配合使用,直接测量并控制温度。片状半导体制冷器的吸热端贴在半导体激光管上,将散热端与散热片贴在一起。
3 系统软件设计
系统软件包括上位管理机程序和下位控制机程序,前者是使用Visual Basic在Windows环境下编写的应用程序,后者是使用单片机汇编语言编写而成。
3.1 上位管理机程序
上位管理机软件分为主程序模块、病例管理模块、通信模块、计时模块、打印模块等。系统的正常工作流程如图2。
主程序模块完成上位机的整体调控功能,在启动治疗、检测功率小于预定功率-5 mW、检测功率大于预定功率+5 mW、检测功率等于预定功率±5 mW、结束治疗等时调用发送子程序向下位机发送不同的控制字,并调用接受子程序,定时检控下位机的工作状态。
, 百拇医药
病例管理模块完成对患者有关资料的存档、检索、输出、修改、删除等功能。
通讯模块完成上位管理机对单片机的控制和将下位机检测到的数据收入上位管理机的功能。
计算机的串行通信子程序包括发送子程序和接收子程序,计算机通过MSCOMM.VBX通讯控件与单片机串口进行通讯。发送子程序将治疗开始、功率增减、结束治疗等控制命令送到下位机,使下位机执行相应的功能。接受子程序接受自检结果、功率检测值(即光敏电池处电压),若系统自检异常,则上位机显示提示框,下位机响铃报警。上位机根据接受到的功率检测值,采用查表法和线性插值法,显示光功率值。
打印模块完成患者资料,包括姓名、编号、年龄、治疗时间、治疗功率、治疗日期等项目的打印输出。
计时模块完成治疗时间的控制。我们选用时钟来倒计时,当时间到,则计算机喇叭响、患者资料入库,出现相关提示框。计时时钟Timer1的Interval属性设为1秒,当激光实际检测功率在预定功率±5 mW 范围内时,定时时钟Timer1才开始工作。
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3.2 下位机控制程序
本系统中,下位机软件包括功率大小的调整模块、串行通信模块、AD574的采样模块等。图3为下位机程序流程简图。
图2 系统的工作流程图
图3 下位机主程序流程图
4 结 果
我们选用进口的670 nm半导体激光器,光纤端输出功率大于1 W,组成了第二代激光光动力治疗系统。本系统中,下位机采用抗外界干扰能力较强的计算机电源供电,软件设计采用中值滤波,提高了系统硬件的可靠性;下位机充分利用了单片机的资源,配有键盘、显示器、通讯接口等,既可独立使用,也可与上位机进行通讯,上位机采用Visual Basic编程,具有易于开发维护、界面友好清晰、操作方便等特点。该系统能准确地对激光管的功率进行调整和控制,并具有很强的通用性,只需调整下位机的各电位器,可适用于功率小于2 W的各种激光管,因此具有很好的应用前景。目前,该系统正用于动物和临床实验,其稳定性与可靠性有待临床应用的考验。
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作者简介:王瑞平(1974- ),女,内蒙古巴盟人,天津医科大学生物医学工程专业硕士,天津大学博士研究生,从事生物医学工程学研究。
参考文献
1，Latkowski-B. Use of sensitizers and photo laser for diagnosis and treatment of malignant tumors[J]. Otolaryngol-Pol,1995,49 suppl 20:205-208.
2，WHenderson BW, Dougherty TJ. How does photodynamic therapy work﹖[J]. Photochem Photobiol, 1992,55(1):145-147.
3，Spitzer-M,Krumholz-BA. Photodynamic therapy in gynecology[J].Obstet-Gynecol-Clin-Am,1991,18(3):649-659.
, 百拇医药
4，包玉生.光动力学治疗的基础研究与临床现状[J].国外医学生物医学工程分册,1996,19(2):87-91.
5，Gush-RJ,King-TA.Discrimination of capillary and arterio-venular blood flow in skin by laser Doppler flowmetry[J].Med-Biol-Eng-Comput,1991,29(4):387-392.
6，李迎新.半导体激光治疗仪在临床应用中的进展[J].中国激光医学杂志,1998,7(4):260.
收稿日期:2000-02-21, http://www.100md.com
单位：天津医科大学 生物医学工程系, 天津 300070
关键词：光动力学疗法；肿瘤治疗；半导体激光器；微机控制
中国医学物理学杂志000309 摘要: 目的: 为满足临床光动力治疗的需要,寻求比630 nm更长波长的激光光源。方法:选用670 nm半导体激光器,采用基于两级结构的微机控制系统,上位管理机既可完成参数打印、数据存档等功能,又可向下位控制机传送控制命令,下位控制机既可独立使用完成实时控制,又可向上位管理机传送数据。结果:实现并生成了与第二代光敏剂相适应的第二代激光光动力治疗系
中图分类号: R730.57 文献标识码: B 文章编号: 1005-202X(2000)03-0146-02
The development of the diode laser device for tumor
, 百拇医药
WANG Rui-ping, LI Ying-xin, ZHAO Qiu-sheng
(Department of biomedical engineering,Tianjin medical university,Tianjin 300070, China)
Abstract In order to find a laser with a wavelength longer than 630nm currently used in the first-generation PDT.we developed a diode laser treatment system with 670nm wavelength which correspond to the second-generation photosensitizer .The laser controlled by a distributed microcomputer monitoring system . The supervisory computer is used not only to store data and print parameters,but also to transfer controlling words to the controlling microcomputer .The controlling microcomputer is not only used to transfer data to the supervisory computer ,but also can be used to finish controlling the operations independently.
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In order to find a laser with a wavelength longer than 630nm currently used in the first-generation PDT.we developed a diode laser treatment system with 670nm wavelength which correspond to the second-generation photosensitizer .The laser controlled by a distributed microcomputer monitoring system . The supervisory computer is used not only to store data and print parameters,but also to transfer controlling words to the controlling microcomputer .The controlling microcomputer is not only used to transfer data to the supervisory computer ,but also can be used to finish controlling the operations independently.
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Key words Photodynamic therapy ;Tumor Diode laser; Microcomputer monitoring
光动力学疗法(Photodynamic TherapyPDT)治疗恶性肿瘤是近二十年兴起的并不断发展的新技术。光动力作用的发生需要光敏剂、适当波长的光、适当浓度的氧和适当的温度四个条件的同时存在[1.2]。
光敏剂能否被激发依赖于激发光的波长,若使PDT达到最佳治疗效果,最好是采用光敏剂吸收峰附近的光源[3]。所以,激发光源的选择原则一是光敏剂所能吸收的频谱;二是有一定的组织穿透性。从可见光到红外光(波长在400～900 nm)的光线对组织的穿透性随波长的增长而增加。第二代光敏剂的吸收峰为670 nm或690 nm[4～5]。由于第一代光敏剂所具有的对生物组织穿透性差,吸收谱宽,从而副作用大等不足,使得第二代光敏剂及与其相适应的光源成为该疗法所追求的目标。目前,国外虽已有670 nm的半导体激光光源,但用作光动力疗法的[6]、有微机控制系统的治疗系统尚未见报道,这也正是我们所做的工作。
, 百拇医药
1 系统总体设计
半导体激光肿瘤治疗仪系统采用两级结构,分为上位管理机和下位控制机。
上位管理机为486以上兼容机,其软件是使用Visual Basic在Windows环境下开发的,简单、易学、易掌握,它完成数据接受(通过RS232接口),参数设定,数据存储、数据打印等。
下位控制机以MCS-51系列单片机为核心,使用D/A转换芯片0832控制和调节激光管的输出功率,使用模拟开关7501采用分时技术,用A/D转换芯片AD574检测激光管的工作电流、工作电压、控制电压等,检控激光管的工作状态,使其工作在允许电压和电流下。下位控制机完成控制、功率检测等。
上位管理机与下位控制机之间采用RS-232接口进行串行通讯,完成数据传输。其硬件结构框图如图1所示。
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2 下位控制机的主要构成
2.1 主控模块
图1虚框内为下位控制机硬件结构。由MCS-51系列单片机8031芯片、扩展芯片8255、D/A转换芯片0832等组成主控模块。通过TC232接口芯片与上位管理机进行通讯,串行通讯的波特率可达9600 Bit/S,另外使用64 KEEROM作程序存储器。
2.2 检测模块
采用A/D转换芯片AD574、8路模拟输入开关7501、光电池、采样电阻等组成检测模块。8路模拟输入开关7501各输入通道分别接系统自检时的+5 V、0 V、激光器工作电流(1 Ω的采样电阻与激光管串联)、激光器控制电压、光功率检测时的光电传感器所生电压,模拟开关AD7501把五路模拟参数分时地接通送入模/数转换器AD574。
由于半导体激光管为电流控制的激光管,激光管的输出光功率主要受工作电流的控制,与激光管两端的电压关系不大。因此,我们通过调节激光管的工作电流来调节激光管的发光功率,选取阻值为1 Ω的采样电阻RSAMPLE与激光管串联,RSAMPLE的电压即为流过激光管的电流,通过模拟开关7501在系统自检时,检测RSAMPLE的电压即激光管的电流,保证激光管在允许电流范围内工作。
, http://www.100md.com
图1 系统硬件结构框图
2.3 半导体制冷模块
本系统采用XMT-72型数字式温度调节器与热电偶配合使用,直接测量并控制温度。片状半导体制冷器的吸热端贴在半导体激光管上,将散热端与散热片贴在一起。
3 系统软件设计
系统软件包括上位管理机程序和下位控制机程序,前者是使用Visual Basic在Windows环境下编写的应用程序,后者是使用单片机汇编语言编写而成。
3.1 上位管理机程序
上位管理机软件分为主程序模块、病例管理模块、通信模块、计时模块、打印模块等。系统的正常工作流程如图2。
主程序模块完成上位机的整体调控功能,在启动治疗、检测功率小于预定功率-5 mW、检测功率大于预定功率+5 mW、检测功率等于预定功率±5 mW、结束治疗等时调用发送子程序向下位机发送不同的控制字,并调用接受子程序,定时检控下位机的工作状态。
, 百拇医药
病例管理模块完成对患者有关资料的存档、检索、输出、修改、删除等功能。
通讯模块完成上位管理机对单片机的控制和将下位机检测到的数据收入上位管理机的功能。
计算机的串行通信子程序包括发送子程序和接收子程序,计算机通过MSCOMM.VBX通讯控件与单片机串口进行通讯。发送子程序将治疗开始、功率增减、结束治疗等控制命令送到下位机,使下位机执行相应的功能。接受子程序接受自检结果、功率检测值(即光敏电池处电压),若系统自检异常,则上位机显示提示框,下位机响铃报警。上位机根据接受到的功率检测值,采用查表法和线性插值法,显示光功率值。
打印模块完成患者资料,包括姓名、编号、年龄、治疗时间、治疗功率、治疗日期等项目的打印输出。
计时模块完成治疗时间的控制。我们选用时钟来倒计时,当时间到,则计算机喇叭响、患者资料入库,出现相关提示框。计时时钟Timer1的Interval属性设为1秒,当激光实际检测功率在预定功率±5 mW 范围内时,定时时钟Timer1才开始工作。
, 百拇医药
3.2 下位机控制程序
本系统中,下位机软件包括功率大小的调整模块、串行通信模块、AD574的采样模块等。图3为下位机程序流程简图。
图2 系统的工作流程图
图3 下位机主程序流程图
4 结 果
我们选用进口的670 nm半导体激光器,光纤端输出功率大于1 W,组成了第二代激光光动力治疗系统。本系统中,下位机采用抗外界干扰能力较强的计算机电源供电,软件设计采用中值滤波,提高了系统硬件的可靠性;下位机充分利用了单片机的资源,配有键盘、显示器、通讯接口等,既可独立使用,也可与上位机进行通讯,上位机采用Visual Basic编程,具有易于开发维护、界面友好清晰、操作方便等特点。该系统能准确地对激光管的功率进行调整和控制,并具有很强的通用性,只需调整下位机的各电位器,可适用于功率小于2 W的各种激光管,因此具有很好的应用前景。目前,该系统正用于动物和临床实验,其稳定性与可靠性有待临床应用的考验。
, http://www.100md.com
作者简介:王瑞平(1974- ),女,内蒙古巴盟人,天津医科大学生物医学工程专业硕士,天津大学博士研究生,从事生物医学工程学研究。
参考文献
1，Latkowski-B. Use of sensitizers and photo laser for diagnosis and treatment of malignant tumors[J]. Otolaryngol-Pol,1995,49 suppl 20:205-208.
2，WHenderson BW, Dougherty TJ. How does photodynamic therapy work﹖[J]. Photochem Photobiol, 1992,55(1):145-147.
3，Spitzer-M,Krumholz-BA. Photodynamic therapy in gynecology[J].Obstet-Gynecol-Clin-Am,1991,18(3):649-659.
, 百拇医药
4，包玉生.光动力学治疗的基础研究与临床现状[J].国外医学生物医学工程分册,1996,19(2):87-91.
5，Gush-RJ,King-TA.Discrimination of capillary and arterio-venular blood flow in skin by laser Doppler flowmetry[J].Med-Biol-Eng-Comput,1991,29(4):387-392.
6，李迎新.半导体激光治疗仪在临床应用中的进展[J].中国激光医学杂志,1998,7(4):260.
收稿日期:2000-02-21, http://www.100md.com