微創醫療領域應用光纖測溫光纖傳感器系統

近幾十年來，微創熱療（即射頻消融，激光消融，微波消融，高強度聚焦超聲消融和冷凍消融）在腫瘤切除領域得到了廣泛認可。這些技術誘導局部溫度升高或降低以移除腫瘤，同時周圍的健康組織保持完整。準確測量組織溫度可能對改善治療結果特別有益，因為它可以用作實現完全腫瘤消融和最小化復發的明確終點。在該領域使用的幾種測溫技術中，光纖傳感器（FOS）具有幾個吸引人的特性：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;對于這種應用，光纖布拉格光柵和頻率響應（數百kHz）就足夠了; 對電磁干擾的免疫允許在磁共振或計算機斷層掃描引導的熱程序期間使用FOS。在這篇綜述中，介紹了在熱過程中最常用的FOS用于溫度監測的現狀（例如，光纖布拉格光柵傳感器;熒光傳感器），重點放在它們的工作原理和計量特性上。包括常見消融技術的基本物理原理，以解釋在這些程序中使用FOS的優點。
微創技術已被廣泛認可為腫瘤治療，作為傳統手術的替代方案，并治療不適合手術的患者。一種特殊的微創技術家族通過熱消融程序來表示，其引發局部溫度增量（激光消融（LA），射頻消融（RFA），高強度聚焦超聲（HIFU）和微波消融（MWA））或減少（冷凍消融）以殺死整個腫瘤，同時保護周圍的健康組織。它們優于傳統手術的主要優勢主要在于通過經皮，內窺鏡或體外引導進行消融手術的可能性，從而最大限度地減少對患者的身體創傷，避免不良并發癥，減少對全身麻醉的需求，以及治療無法手術的患者。這些元素有可能減少患者的恢復時間，從而降低醫院的成本。

溫度監測被認為對于在治療期間調節輸送的能量設置特別有益。已經表明，溫度也可以作為一個明確的終點，以實現完全腫瘤消融，并盡量減少復發。此外，高溫治療計劃工具在治療管理中的功效可以通過準確測量組織溫度的反饋來加強。近幾十年來，已經提出了幾種測溫技術來指導研究中基于消融的治療，最近在臨床環境中。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部身體之間沒有接觸的情況下進行，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），計算機斷層掃描（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的明顯優勢，但基于圖像的測溫法還不夠成熟以用作監測所有熱程序的臨床工具。事實上，MR測溫被認為是非侵入式測溫中目前的臨床黃金標準，需要特殊設計的序列，其熱敏感度取決于組織的類型，除非使用質子共振頻移技術。此外，MR掃描儀只能與MR兼容設備一起操作; CT-測溫法使用電離輻射（X射線），因此首先關注的是與患者的劑量有關。此外，其熱敏感性是組織依賴性的，并且僅存在關于其在體內的可行性評估的初步研究; 看起來很有希望，但僅在高達約50°C的溫度范圍內; 此外，當溫度接近60°C時，使用特定方法（例如，基于聲速隨溫度變化的測溫），此技術的準確性可能較差，并且熱靈敏度取決于組織的性質。

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，并且在一些商業上可用的模型，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格低廉，相當精確（~1°C），響應時間相對較短（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，可導致產生主要有兩個原因實質的測量誤差：（ⅰ）的光的通過LA時的金屬線的直接吸收，HIFU在超聲處理可能會導致相當大的溫度過度估計，金屬線的高導熱率也會導致溫度過高估計（冷凍消融）或低估（用于高溫治療）。此外，金屬線可能在CT或MR引導的熱程序中引起顯著的圖像偽影。

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

存在幾種類型的FOS，它們以不同的工作原理為基礎，并且通常分為兩類內在的，其中光纖構成傳感元件;外在的，其中光纖只是用于將光傳送到單獨的元件或空間以及從單獨的元件或空間傳送光的介質。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。除了列出的有價值的特性之外，FBG還能夠執行分布式，準分布式和多點測量，允許通過插入單個小尺寸元件（例如，光學元件）來測量組織的不同點處的溫度。外徑為數百微米的纖維）。

本文回顧了用于熱處理溫度監測的FOS（特別是FBG和熒光傳感器）的最新技術。在整篇文章中，提供了對這兩種傳感器的主要優點和缺點的重要描述，同時考慮了不同的熱處理。為了清楚起見，該制品分為兩個主要部分：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，優點和缺點，以及它們在感興趣的領域中的應用用于熱處理過程中溫度監測的光纖傳感器：工作原理和計量特性與其電子對應部件（例如微機電系統（MEMS））相比，基于光纖的溫度傳感器在性能，尺寸（感應區域和布線）以及集成的可能性方面具有關鍵優勢?；跓晒獾臏y溫法于1978年首次商業化; 熒光光學系統一直支持熱療中的熱測量，特別是在過去十年中。最近，FBG傳感器的新發展，特別是基于拉絲塔的制造方法，在同一根光纖內，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。新興技術允許“超密集”傳感，將空間分辨率降低到毫米以下：兩個值得注意的例子是光纖布拉格光柵，它擴展了FBG原理，以及基于掃描波長干涉測量的分布式傳感系統，用于瑞利散射分析。

基于熒光的傳感器工作準則。

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。沒有關于基于熒光的測溫相當的研究工作在90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間的測量，熒光衰減時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的。提出的典型的基于外在熒光的測溫系統。使用方波圖案內部調制并耦合在標準光纖內部的光源用于激發磷光體; 探針是Cr 3+藍寶石光纖尖端上的摻雜區域，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間。通常，通過以下兩個步驟從傳感器輸出提取溫度值：通過光脈沖激勵傳感元件; 在該刺激之后，熒光信號以指數模式衰減。的指數趨勢的時間常數取決于溫度，因此它可以被認為是溫度的間接測量。由于指數衰減限于幾μs，熒光透鏡傳感器通常具有快速響應。

此外，大多數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; 該系統的工作溫度范圍為-100-290°C，精度為0.1°C。檢測速度，準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的有吸引力的特征，并且因此已經開發了若干專利用于在熱消融中結合一個或多個光纖溫度傳感器。
光纖布拉格光柵（FBG）工作準則。

光纖布拉格光柵（FBG）傳感器是現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; 當溫度變化應用于FBG結構時，FBG光譜以接近完美的恒定靈敏度移動。因此，對應于所述反射的光譜強度的最大值的波長，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FBG陣列，每個FBG具有不同的中心波長，因此利用波分復用（WDM）。在這種配置中，基于FBG的系統獲得了生物醫學傳感的新維度，因為它們允許將多個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更昂貴。

在熱消融所需的測量范圍內（即30-100°C），FBG具有恒定的靈敏度，其典型值為~10 pm·°C -1?？淘谕还饫w5個FBG傳感器，適用于RF消融; 每個FBG有效長度為0.5 cm，傳感能力為1 FBG / cm，每個峰值波長之間的距離為1.8 nm; 該結果對應于熱消融中FBG感測的最新示例之一。加熱和冷卻過程中五個FBG陣列的響應如圖4所示。與基于熒光的傳感器相比，執行WDM并因此將多個傳感器集成在具有窄密度的單根光纖中的可能性是FBG傳感器的關鍵優勢。通過使用詢問器檢測FBG光譜并應用后處理，可以以0.1°C的精度檢索每個傳感器的溫度。
隨著制造技術的許多最新進展，FBG傳感器背后的技術正在迅速發展。最值得注意的是，FBG陣列的拉絲塔制造的鞏固，建立在由工業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，相比傳統的FBG制造技術提供了顯著的計量氣象優勢。DTG可以通過精確定位制造：與構成陣列的每個傳感器的布拉格波長一一對應，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制造工藝不需要剝離和重新涂覆纖維緩沖層，保持原始的堅固性和厚度，因此機械強度也增加。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到1 FBG / cm密度。

最近設立了一種用于FBG制造的新技術，該技術采用飛秒激光進行逐點刻錄。該技術具有提高感測能力的潛力，因為它可以在不久的將來制造具有<1mm長度的高反射FBG，以密集陣列封裝。主要應用。在LA，RFA期間以及最近在MWA和冷凍消融期間，FBG主要用于監測組織溫度。

FBG工作準則。FBG表現為連續的FBG鏈，每個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。從計量氣象學的角度來看，LCFBG表現為一系列傳感器; 它的光譜來自所有傳感器的整個溫度模式。LCFBG在空間分辨溫度測量中的應用仍處于相對早期階段，通過使用LCFBG代替標準FBG陣列，空間分辨率下降到遠低于1mm，并且主要受到解碼系統從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，但是可以開發定制軟件來解碼信號并估計溫度，因為目前不存在商業上可用的軟件。

主要應用。FBG僅在最近的熱程序（特別是RFA）中在組織溫度監測領域中越來越受歡迎。在1.5厘米長度上顯示75微米的空間分辨率。然而，解碼技術主要用于單調溫度模式。目前的研究旨在開發非單調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則。

分布式溫度傳感（DTS）采用與以前技術不同的方法，因為它使用標準光纖作為傳感器; 解碼在時域或頻域中通過測量反向散射瑞利圖案執行的處理，。目前，用于密集空間分辨熱測量的DTS金標準儀器是基于掃描波長干涉測量法的操作原理。這種DTS系統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其進行解析。這些傳感器是使用標準單模光纖開發的（成本可以忽略不計），但它們需要昂貴的詢問器來分析和記錄信號。

性能取決于空間分辨率，準確度，有效長度和采樣時間之間的緊密權衡。實現了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。由于系統采用標準光纖，無需制造任何結構，因此可以開發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和消融裝置至少高一個數量級。在醫療場景中采用了瑞利散射分布式傳感系統，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。