微創(chuàng)醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用光纖測溫光纖傳感器系統(tǒng)

近幾十年來，微創(chuàng)熱療（即射頻消融，激光消融，微波消融，高強(qiáng)度聚焦超聲消融和冷凍消融）在腫瘤切除領(lǐng)域得到了廣泛認(rèn)可。這些技術(shù)誘導(dǎo)局部溫度升高或降低以移除腫瘤，同時(shí)周圍的健康組織保持完整。準(zhǔn)確測量組織溫度可能對(duì)改善治療結(jié)果特別有益，因?yàn)樗梢杂米鲗?shí)現(xiàn)完全腫瘤消融和最小化復(fù)發(fā)的明確終點(diǎn)。在該領(lǐng)域使用的幾種測溫技術(shù)中，光纖傳感器（FOS）具有幾個(gè)吸引人的特性：傳感器和電纜的高靈活性和小尺寸，允許將FOS插入深層組織中;對(duì)于這種應(yīng)用，光纖布拉格光柵和頻率響應(yīng)（數(shù)百kHz）就足夠了; 對(duì)電磁干擾的免疫允許在磁共振或計(jì)算機(jī)斷層掃描引導(dǎo)的熱程序期間使用FOS。在這篇綜述中，介紹了在熱過程中最常用的FOS用于溫度監(jiān)測的現(xiàn)狀（例如，光纖布拉格光柵傳感器;熒光傳感器），重點(diǎn)放在它們的工作原理和計(jì)量特性上。包括常見消融技術(shù)的基本物理原理，以解釋在這些程序中使用FOS的優(yōu)點(diǎn)。
微創(chuàng)技術(shù)已被廣泛認(rèn)可為腫瘤治療，作為傳統(tǒng)手術(shù)的替代方案，并治療不適合手術(shù)的患者。一種特殊的微創(chuàng)技術(shù)家族通過熱消融程序來表示，其引發(fā)局部溫度增量（激光消融（LA），射頻消融（RFA），高強(qiáng)度聚焦超聲（HIFU）和微波消融（MWA））或減少（冷凍消融）以殺死整個(gè)腫瘤，同時(shí)保護(hù)周圍的健康組織。它們優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)的主要優(yōu)勢主要在于通過經(jīng)皮，內(nèi)窺鏡或體外引導(dǎo)進(jìn)行消融手術(shù)的可能性，從而最大限度地減少對(duì)患者的身體創(chuàng)傷，避免不良并發(fā)癥，減少對(duì)全身麻醉的需求，以及治療無法手術(shù)的患者。這些元素有可能減少患者的恢復(fù)時(shí)間，從而降低醫(yī)院的成本。

溫度監(jiān)測被認(rèn)為對(duì)于在治療期間調(diào)節(jié)輸送的能量設(shè)置特別有益。已經(jīng)表明，溫度也可以作為一個(gè)明確的終點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)完全腫瘤消融，并盡量減少復(fù)發(fā)。此外，高溫治療計(jì)劃工具在治療管理中的功效可以通過準(zhǔn)確測量組織溫度的反饋來加強(qiáng)。近幾十年來，已經(jīng)提出了幾種測溫技術(shù)來指導(dǎo)研究中基于消融的治療，最近在臨床環(huán)境中。這些方法可分為侵入性（接觸式）和非侵入性（非接觸式）。在非侵入式測溫法的情況下，溫度變化的測量在裝置和內(nèi)部身體之間沒有接觸的情況下進(jìn)行，并且從溫度依賴性組織特性的圖像推斷; 最著名的方法是基于磁共振（MR），計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT），超聲（US）成像，橫波彈性成像。盡管存在與缺乏接觸和獲得3D溫度圖的可能性相關(guān)的明顯優(yōu)勢，但基于圖像的測溫法還不夠成熟以用作監(jiān)測所有熱程序的臨床工具。事實(shí)上，MR測溫被認(rèn)為是非侵入式測溫中目前的臨床黃金標(biāo)準(zhǔn)，需要特殊設(shè)計(jì)的序列，其熱敏感度取決于組織的類型，除非使用質(zhì)子共振頻移技術(shù)。此外，MR掃描儀只能與MR兼容設(shè)備一起操作; CT-測溫法使用電離輻射（X射線），因此首先關(guān)注的是與患者的劑量有關(guān)。此外，其熱敏感性是組織依賴性的，并且僅存在關(guān)于其在體內(nèi)的可行性評(píng)估的初步研究; 看起來很有希望，但僅在高達(dá)約50°C的溫度范圍內(nèi); 此外，當(dāng)溫度接近60°C時(shí)，使用特定方法（例如，基于聲速隨溫度變化的測溫），此技術(shù)的準(zhǔn)確性可能較差，并且熱靈敏度取決于組織的性質(zhì)。

侵入性的方法要求將被插入到靶組織中的傳感器，但是更成本效益比的成像系統(tǒng)，并且在一些商業(yè)上可用的模型，傳感器被嵌入在所述輸送能量探針，從而最小化程序的侵入性。

目前，最常用的傳感器是熱電偶和基于光纖的傳感器（FOS）。由兩根金屬線組成的熱電偶價(jià)格低廉，相當(dāng)精確（~1°C），響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短（它很大程度上取決于探頭直徑，可能比1 s短得多）。在另一方面，可導(dǎo)致產(chǎn)生主要有兩個(gè)原因?qū)嵸|(zhì)的測量誤差：（?。┑墓獾耐ㄟ^LA時(shí)的金屬線的直接吸收，HIFU在超聲處理可能會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的溫度過度估計(jì)，金屬線的高導(dǎo)熱率也會(huì)導(dǎo)致溫度過高估計(jì)（冷凍消融）或低估（用于高溫治療）。此外，金屬線可能在CT或MR引導(dǎo)的熱程序中引起顯著的圖像偽影。

在特定配置中，光纖技術(shù)允許克服這些障礙：由于它們的構(gòu)造（玻璃或聚合物），F(xiàn)OS不易被光吸收引起高估，并且具有低導(dǎo)熱性（硅玻璃是優(yōu)異的絕熱體）。此外，MR兼容的FOS可以在CT和MR引導(dǎo)的熱程序中使用。這些特性使得FOS技術(shù)在熱處理過程中對(duì)溫度監(jiān)測特別有吸引力。

存在幾種類型的FOS，它們以不同的工作原理為基礎(chǔ)，并且通常分為兩類內(nèi)在的，其中光纖構(gòu)成傳感元件;外在的，其中光纖只是用于將光傳送到單獨(dú)的元件或空間以及從單獨(dú)的元件或空間傳送光的介質(zhì)。在大量的FOS中，只有兩種被廣泛用于熱處理過程中的溫度測量，即：光纖布拉格光柵傳感器（FBG）和熒光傳感器。除了列出的有價(jià)值的特性之外，F(xiàn)BG還能夠執(zhí)行分布式，準(zhǔn)分布式和多點(diǎn)測量，允許通過插入單個(gè)小尺寸元件（例如，光學(xué)元件）來測量組織的不同點(diǎn)處的溫度。外徑為數(shù)百微米的纖維）。

本文回顧了用于熱處理溫度監(jiān)測的FOS（特別是FBG和熒光傳感器）的最新技術(shù)。在整篇文章中，提供了對(duì)這兩種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的重要描述，同時(shí)考慮了不同的熱處理。為了清楚起見，該制品分為兩個(gè)主要部分：第一部分描述了最常用的熱程序的基本物理原理，以及這些處理過程中溫度監(jiān)測的重要性; 在第二部分中，描述了FBG和熒光傳感器的測量原理，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及它們?cè)诟信d趣的領(lǐng)域中的應(yīng)用用于熱處理過程中溫度監(jiān)測的光纖傳感器：工作原理和計(jì)量特性與其電子對(duì)應(yīng)部件（例如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS））相比，基于光纖的溫度傳感器在性能，尺寸（感應(yīng)區(qū)域和布線）以及集成的可能性方面具有關(guān)鍵優(yōu)勢?；跓晒獾臏y溫法于1978年首次商業(yè)化; 熒光光學(xué)系統(tǒng)一直支持熱療中的熱測量，特別是在過去十年中。最近，F(xiàn)BG傳感器的新發(fā)展，特別是基于拉絲塔的制造方法，在同一根光纖內(nèi)，將FBG傳感器的成本和空間分辨率降低到0.5到2傳感器/ cm。新興技術(shù)允許“超密集”傳感，將空間分辨率降低到毫米以下：兩個(gè)值得注意的例子是光纖布拉格光柵，它擴(kuò)展了FBG原理，以及基于掃描波長干涉測量的分布式傳感系統(tǒng)，用于瑞利散射分析。

基于熒光的傳感器工作準(zhǔn)則。

基于熒光的傳感器，在光纖并入，基于熒光壽命的測定的操作原理。沒有關(guān)于基于熒光的測溫相當(dāng)?shù)难芯抗ぷ髟?0年代期間，在此期間，磷光體材料的熒光衰減的原理在光纖。

外在熒光檢查基于熒光衰減時(shí)間的測量，熒光衰減時(shí)間是由熒光材料如紅寶石，翠綠寶石，th或幾種稀土材料誘導(dǎo)的。提出的典型的基于外在熒光的測溫系統(tǒng)。使用方波圖案內(nèi)部調(diào)制并耦合在標(biāo)準(zhǔn)光纖內(nèi)部的光源用于激發(fā)磷光體; 探針是Cr 3+藍(lán)寶石光纖尖端上的摻雜區(qū)域，拼接成石英光纖并封裝在氧化鋁鞘中。高速光電探測器用于記錄熒光材料的衰減時(shí)間。通常，通過以下兩個(gè)步驟從傳感器輸出提取溫度值：通過光脈沖激勵(lì)傳感元件; 在該刺激之后，熒光信號(hào)以指數(shù)模式衰減。的指數(shù)趨勢的時(shí)間常數(shù)取決于溫度，因此它可以被認(rèn)為是溫度的間接測量。由于指數(shù)衰減限于幾μs，熒光透鏡傳感器通常具有快速響應(yīng)。

此外，大多數(shù)稀土材料兼容從室溫到超過200°C的操作，以及低于-40°C的操作。材料; 該系統(tǒng)的工作溫度范圍為-100-290°C，精度為0.1°C。檢測速度，準(zhǔn)確度以及使用光纖探針作為一次性單元的可能性是基于熒光的系統(tǒng)的有吸引力的特征，并且因此已經(jīng)開發(fā)了若干專利用于在熱消融中結(jié)合一個(gè)或多個(gè)光纖溫度傳感器。
光纖布拉格光柵（FBG）工作準(zhǔn)則。

光纖布拉格光柵（FBG）傳感器是現(xiàn)代光纖傳感最常用的方法。FBG是一種波長選擇性陷波濾波器，可反射單峰波長附近的窄譜; 當(dāng)溫度變化應(yīng)用于FBG結(jié)構(gòu)時(shí)，F(xiàn)BG光譜以接近完美的恒定靈敏度移動(dòng)。因此，對(duì)應(yīng)于所述反射的光譜強(qiáng)度的最大值的波長，稱為布拉格波長（λ乙），可用于估算溫度。由于FBG反射窄光譜并且對(duì)所有其他波長透明，因此可以部署在同一光纖上制造的多個(gè)FBG陣列，每個(gè)FBG具有不同的中心波長，因此利用波分復(fù)用（WDM）。在這種配置中，基于FBG的系統(tǒng)獲得了生物醫(yī)學(xué)傳感的新維度，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S將多個(gè)微型傳感器托管在同一光纖上，從而最大化傳感能力。FBG傳感器的成本約為35美元或更低。然而，用于詢問傳感器的系統(tǒng)更昂貴。

在熱消融所需的測量范圍內(nèi)（即30-100°C），F(xiàn)BG具有恒定的靈敏度，其典型值為~10 pm·°C -1。刻在同一光纖5個(gè)FBG傳感器，適用于RF消融; 每個(gè)FBG有效長度為0.5 cm，傳感能力為1 FBG / cm，每個(gè)峰值波長之間的距離為1.8 nm; 該結(jié)果對(duì)應(yīng)于熱消融中FBG感測的最新示例之一。加熱和冷卻過程中五個(gè)FBG陣列的響應(yīng)如圖4所示。與基于熒光的傳感器相比，執(zhí)行WDM并因此將多個(gè)傳感器集成在具有窄密度的單根光纖中的可能性是FBG傳感器的關(guān)鍵優(yōu)勢。通過使用詢問器檢測FBG光譜并應(yīng)用后處理，可以以0.1°C的精度檢索每個(gè)傳感器的溫度。
隨著制造技術(shù)的許多最新進(jìn)展，F(xiàn)BG傳感器背后的技術(shù)正在迅速發(fā)展。最值得注意的是，F(xiàn)BG陣列的拉絲塔制造的鞏固，建立在由工業(yè)化的所謂拉絲塔光柵（DTG）基于通過相位掩模將光纖暴露于UV光，相比傳統(tǒng)的FBG制造技術(shù)提供了顯著的計(jì)量氣象優(yōu)勢。DTG可以通過精確定位制造：與構(gòu)成陣列的每個(gè)傳感器的布拉格波長一一對(duì)應(yīng)，并且沿光纖的幾何位置; 這在熱療中必不可少，以提供可靠的溫度模式重建。由于DTG制造工藝不需要?jiǎng)冸x和重新涂覆纖維緩沖層，保持原始的堅(jiān)固性和厚度，因此機(jī)械強(qiáng)度也增加。此外，DTG通常在彎曲不敏感纖維上制造。目前，商用DTG陣列在單根光纖上達(dá)到1 FBG / cm密度。

最近設(shè)立了一種用于FBG制造的新技術(shù)，該技術(shù)采用飛秒激光進(jìn)行逐點(diǎn)刻錄。該技術(shù)具有提高感測能力的潛力，因?yàn)樗梢栽诓痪玫膶碇圃炀哂?lt;1mm長度的高反射FBG，以密集陣列封裝。主要應(yīng)用。在LA，RFA期間以及最近在MWA和冷凍消融期間，F(xiàn)BG主要用于監(jiān)測組織溫度。

FBG工作準(zhǔn)則。FBG表現(xiàn)為連續(xù)的FBG鏈，每個(gè)FBG具有不同的峰值波長。最有趣的配置是線性FBG（LCFBG），其中布拉格波長在空間中線性變化。

FBG的制造長度為1.5厘米至5厘米，帶寬范圍為5納米至50納米。從計(jì)量氣象學(xué)的角度來看，LCFBG表現(xiàn)為一系列傳感器; 它的光譜來自所有傳感器的整個(gè)溫度模式。LCFBG在空間分辨溫度測量中的應(yīng)用仍處于相對(duì)早期階段，通過使用LCFBG代替標(biāo)準(zhǔn)FBG陣列，空間分辨率下降到遠(yuǎn)低于1mm，并且主要受到解碼系統(tǒng)從LCFBG頻譜解析溫度模式的能力的限制。來自FBG的后向反射光譜可以由用于均勻FBG的相同詢問器記錄，但是可以開發(fā)定制軟件來解碼信號(hào)并估計(jì)溫度，因?yàn)槟壳安淮嬖谏虡I(yè)上可用的軟件。

主要應(yīng)用。FBG僅在最近的熱程序（特別是RFA）中在組織溫度監(jiān)測領(lǐng)域中越來越受歡迎。在1.5厘米長度上顯示75微米的空間分辨率。然而，解碼技術(shù)主要用于單調(diào)溫度模式。目前的研究旨在開發(fā)非單調(diào)溫度模式的快速解碼算法，如通常在熱消融中獲得的。

瑞利散射分布式傳感工作準(zhǔn)則。

分布式溫度傳感（DTS）采用與以前技術(shù)不同的方法，因?yàn)樗褂脴?biāo)準(zhǔn)光纖作為傳感器; 解碼在時(shí)域或頻域中通過測量反向散射瑞利圖案執(zhí)行的處理，。目前，用于密集空間分辨熱測量的DTS金標(biāo)準(zhǔn)儀器是基于掃描波長干涉測量法的操作原理。這種DTS系統(tǒng)能夠記錄源自傳感光纖的瑞利背向散射特征，并以亞毫米空間精度對(duì)其進(jìn)行解析。這些傳感器是使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖開發(fā)的（成本可以忽略不計(jì)），但它們需要昂貴的詢問器來分析和記錄信號(hào)。

性能取決于空間分辨率，準(zhǔn)確度，有效長度和采樣時(shí)間之間的緊密權(quán)衡。實(shí)現(xiàn)了200微米的空間分辨率和大約0.5°C的精度，1 Hz的測量速率。由于系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)光纖，無需制造任何結(jié)構(gòu)，因此可以開發(fā)低成本的一次性探頭; 另一方面，詢問器成本比其他光纖傳感系統(tǒng)和消融裝置至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在醫(yī)療場景中采用了瑞利散射分布式傳感系統(tǒng)，盡管它們是分布式溫度或熱梯度測量的有前途的解決方案。