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微创医疗领域应用光纤测温光纤传感器系统

近几十年来,微创热疗(即射频消融,激光消融,微波消融,高强度聚焦超声消融和冷冻消融)在肿瘤切除领域得到了广泛认可。这些技术诱导局部温度升高或降低以移除肿瘤,同时周围的健康组织保持完整。准确测量组织温度可能对改善治疗结果特别有益,因为它可以用作实现完全肿瘤消融和最小化复发的明确终点。在该领域使用的几种测温技术中,光纤传感器(FOS)具有几个吸引人的特性:传感器和电缆的高灵活性和小尺寸,允许将FOS插入深层组织中;对于这种应用,光纤布拉格光栅和频率响应(数百kHz)就足够了; 对电磁干扰的免疫允许在磁共振或计算机断层扫描引导的热程序期间使用FOS。在这篇综述中,先容了在热过程中最常用的FOS用于温度监测的现状(例如,光纤布拉格光栅传感器;荧光传感器),重点放在它们的工作原理和计量特性上。包括常见消融技术的基本物理原理,以说明在这些程序中使用FOS的优点。
微创技术已被广泛认可为肿瘤治疗,作为传统手术的替代方案,并治疗不适合手术的患者。一种特殊的微创技术家族通过热消融程序来表示,其引发局部温度增量(激光消融(LA),射频消融(RFA),高强度聚焦超声(HIFU)和微波消融(MWA))或减少(冷冻消融)以杀死整个肿瘤,同时保护周围的健康组织。它们优于传统手术的主要优势主要在于通过经皮,内窥镜或体外引导进行消融手术的可能性,从而最大限度地减少对患者的身体创伤,避免不良并发症,减少对全身麻醉的需求,以及治疗无法手术的患者。这些元素有可能减少患者的恢复时间,从而降低医院的成本。

温度监测被认为对于在治疗期间调节输送的能量设置特别有益。已经表明,温度也可以作为一个明确的终点,以实现完全肿瘤消融,并尽量减少复发。此外,高温治疗计划工具在治疗管理中的功效可以通过准确测量组织温度的反馈来加强。近几十年来,已经提出了几种测温技术来引导研究中基于消融的治疗,最近在临床环境中。这些方法可分为侵入性(接触式)和非侵入性(非接触式)。在非侵入式测温法的情况下,温度变化的测量在装置和内部身体之间没有接触的情况下进行,并且从温度依赖性组织特性的图像推断; 最著名的方法是基于磁共振(MR),计算机断层扫描(CT),超声(US)成像,横波弹性成像。尽管存在与缺乏接触和获得3D温度图的可能性相关的明显优势,但基于图像的测温法还不够成熟以用作监测所有热程序的临床工具。事实上,MR测温被认为是非侵入式测温中目前的临床黄金标准,需要特殊设计的序列,其热敏感度取决于组织的类型,除非使用质子共振频移技术。此外,MR扫描仪只能与MR兼容设备一起操作; CT-测温法使用电离辐射(X射线),因此首先关注的是与患者的剂量有关。此外,其热敏感性是组织依赖性的,并且仅存在关于其在体内的可行性评估的初步研究; 看起来很有希翼,但仅在高达约50°C的温度范围内; 此外,当温度接近60°C时,使用特定方法(例如,基于声速随温度变化的测温),此技术的准确性可能较差,并且热灵敏度取决于组织的性质。

侵入性的方法要求将被插入到靶组织中的传感器,但是更成本效益比的成像系统,并且在一些商业上可用的模型,传感器被嵌入在所述输送能量探针,从而最小化程序的侵入性。

目前,最常用的传感器是热电偶和基于光纤的传感器(FOS)。由两根金属线组成的热电偶价格低廉,相当精确(~1°C),响应时间相对较短(它很大程度上取决于探头直径,可能比1 s短得多)。在另一方面,可导致产生主要有两个原因实质的测量误差:(ⅰ)的光的通过LA时的金属线的直接吸取,HIFU在超声处理可能会导致相当大的温度过度估计,金属线的高导热率也会导致温度过高估计(冷冻消融)或低估(用于高温治疗)。此外,金属线可能在CT或MR引导的热程序中引起显着的图像伪影。

在特定配置中,光纤技术允许克服这些障碍:由于它们的构造(玻璃或聚合物),FOS不易被光吸取引起高估,并且具有低导热性(硅玻璃是优异的绝热体)。此外,MR兼容的FOS可以在CT和MR引导的热程序中使用。这些特性使得FOS技术在热处理过程中对温度监测特别有吸引力。

存在几种类型的FOS,它们以不同的工作原理为基础,并且通常分为两类内在的,其中光纤构成传感元件;外在的,其中光纤只是用于将光传送到单独的元件或空间以及从单独的元件或空间传送光的介质。在大量的FOS中,只有两种被广泛用于热处理过程中的温度测量,即:光纤布拉格光栅传感器(FBG)和荧光传感器。除了列出的有价值的特性之外,FBG还能够实行分布式,准分布式和多点测量,允许通过插入单个小尺寸元件(例如,光学元件)来测量组织的不同点处的温度。外径为数百微米的纤维)。

本文回顾了用于热处理温度监测的FOS(特别是FBG和荧光传感器)的最新技术。在整篇文章中,提供了对这两种传感器的主要优点和缺点的重要描述,同时考虑了不同的热处理。为了清楚起见,该制品分为两个主要部分:第一部分描述了最常用的热程序的基本物理原理,以及这些处理过程中温度监测的重要性; 在第二部分中,描述了FBG和荧光传感器的测量原理,优点和缺点,以及它们在感兴趣的领域中的应用用于热处理过程中温度监测的光纤传感器:工作原理和计量特性与其电子对应部件(例如微机电系统(MEMS))相比,基于光纤的温度传感器在性能,尺寸(感应区域和布线)以及集成的可能性方面具有关键优势。基于荧光的测温法于1978年首次商业化; 荧光光学系统一直支撑热疗中的热测量,特别是在过去十年中。最近,FBG传感器的新发展,特别是基于拉丝塔的制造方法,在同一根光纤内,将FBG传感器的成本和空间分辨率降低到0.5到2传感器/ cm。新兴技术允许“超密集”传感,将空间分辨率降低到毫米以下:两个值得注意的例子是光纤布拉格光栅,它扩展了FBG原理,以及基于扫描波长干涉测量的分布式传感系统,用于瑞利散射分析。

基于荧光的传感器工作准则。

基于荧光的传感器,在光纤并入,基于荧光寿命的测定的操作原理。没有关于基于荧光的测温相当的研究工作在90年代期间,在此期间,磷光体材料的荧光衰减的原理在光纤。

外在荧光检查基于荧光衰减时间的测量,荧光衰减时间是由荧光材料如红宝石,翠绿宝石,th或几种稀土材料诱导的。提出的典型的基于外在荧光的测温系统。使用方波图案内部调制并耦合在标准光纤内部的光源用于激发磷光体; 探针是Cr 3+蓝宝石光纤尖端上的掺杂区域,拼接成石英光纤并封装在氧化铝鞘中。高速光电探测器用于记录荧光材料的衰减时间。通常,通过以下两个步骤从传感器输出提取温度值:通过光脉冲激励传感元件; 在该刺激之后,荧光信号以指数模式衰减。的指数趋势的时间常数取决于温度,因此它可以被认为是温度的间接测量。由于指数衰减限于几μs,荧光透镜传感器通常具有快速响应。

此外,大多数稀土材料兼容从室温到超过200°C的操作,以及低于-40°C的操作。材料; 该系统的工作温度范围为-100-290°C,精度为0.1°C。检测速度,准确度以及使用光纤探针作为一次性单元的可能性是基于荧光的系统的有吸引力的特征,并且因此已经开发了若干专利用于在热消融中结合一个或多个光纤温度传感器。
光纤布拉格光栅(FBG)工作准则。

光纤布拉格光栅(FBG)传感器是现代光纤传感最常用的方法。FBG是一种波长选择性陷波滤波器,可反射单峰波长附近的窄谱; 当温度变化应用于FBG结构时,FBG光谱以接近完美的恒定灵敏度移动。因此,对应于所述反射的光谱强度的最大值的波长,称为布拉格波长(λ乙),可用于估算温度。由于FBG反射窄光谱并且对所有其他波长透明,因此可以部署在同一光纤上制造的多个FBG阵列,每个FBG具有不同的中心波长,因此利用波分复用(WDM)。在这种配置中,基于FBG的系统获得了生物医学传感的新维度,因为它们允许将多个微型传感器托管在同一光纤上,从而最大化传感能力。FBG传感器的成本约为35美金或更低。然而,用于询问传感器的系统更昂贵。

在热消融所需的测量范围内(即30-100°C),FBG具有恒定的灵敏度,其典型值为~10 pm·°C -1。刻在同一光纤5个FBG传感器,适用于RF消融; 每个FBG有效长度为0.5 cm,传感能力为1 FBG / cm,每个峰值波长之间的距离为1.8 nm; 该结果对应于热消融中FBG感测的最新示例之一。加热和冷却过程中五个FBG阵列的响应如图4所示。与基于荧光的传感器相比,实行WDM并因此将多个传感器集成在具有窄密度的单根光纤中的可能性是FBG传感器的关键优势。通过使用询问器检测FBG光谱并应用后处理,可以以0.1°C的精度检索每个传感器的温度。
随着制造技术的许多最新进展,FBG传感器背后的技术正在迅速发展。最值得注意的是,FBG阵列的拉丝塔制造的巩固,建立在由工业化的所谓拉丝塔光栅(DTG)基于通过相位掩模将光纤暴露于UV光,相比传统的FBG制造技术提供了显着的计量气象优势。DTG可以通过精确定位制造:与构成阵列的每个传感器的布拉格波长一一对应,并且沿光纤的几何位置; 这在热疗中必不可少,以提供可靠的温度模式重建。由于DTG制造工艺不需要剥离和重新涂覆纤维缓冲层,保持原始的坚固性和厚度,因此机械强度也增加。此外,DTG通常在弯曲不敏感纤维上制造。目前,商用DTG阵列在单根光纤上达到1 FBG / cm密度。

最近设立了一种用于FBG制造的新技术,该技术采用飞秒激光进行逐点刻录。该技术具有提高感测能力的潜力,因为它可以在不久的将来制造具有<1mm长度的高反射FBG,以密集阵列封装。主要应用。在LA,RFA期间以及最近在MWA和冷冻消融期间,FBG主要用于监测组织温度。

FBG工作准则。FBG表现为连续的FBG链,每个FBG具有不同的峰值波长。最有趣的配置是线性FBG(LCFBG),其中布拉格波长在空间中线性变化。

FBG的制造长度为1.5厘米至5厘米,带宽范围为5纳米至50纳米。从计量气象学的角度来看,LCFBG表现为一系列传感器; 它的光谱来自所有传感器的整个温度模式。LCFBG在空间分辨温度测量中的应用仍处于相对早期阶段,通过使用LCFBG代替标准FBG阵列,空间分辨率下降到远低于1mm,并且主要受到解码系统从LCFBG频谱解析温度模式的能力的限制。来自FBG的后向反射光谱可以由用于均匀FBG的相同询问器记录,但是可以开发定制App来解码信号并估计温度,因为目前不存在商业上可用的App。

主要应用。FBG仅在最近的热程序(特别是RFA)中在组织温度监测领域中越来越受欢迎。在1.5厘米长度上显示75微米的空间分辨率。然而,解码技术主要用于单调温度模式。目前的研究旨在开发非单调温度模式的快速解码算法,如通常在热消融中获得的。

瑞利散射分布式传感工作准则。

分布式温度传感(DTS)采用与以前技术不同的方法,因为它使用标准光纤作为传感器; 解码在时域或频域中通过测量反向散射瑞利图案实行的处理,。目前,用于密集空间分辨热测量的DTS金标准仪器是基于扫描波长干涉测量法的操作原理。这种DTS系统能够记录源自传感光纤的瑞利背向散射特征,并以亚毫米空间精度对其进行解析。这些传感器是使用标准单模光纤开发的(成本可以忽略不计),但它们需要昂贵的询问器来分析和记录信号。

性能取决于空间分辨率,准确度,有效长度和采样时间之间的紧密权衡。实现了200微米的空间分辨率和大约0.5°C的精度,1 Hz的测量速率。由于系统采用标准光纤,无需制造任何结构,因此可以开发低成本的一次性探头; 另一方面,询问器成本比其他光纤传感系统和消融装置至少高一个数量级。在医疗场景中采用了瑞利散射分布式传感系统,尽管它们是分布式温度或热梯度测量的有前途的解决方案。

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