激光诱导间质热疗中分布温度实时测量系统及数据处理方法

摘要

本发明涉及一种激光诱导间质热疗中分布温度实时测量系统及数据处理方法。它包括激光光源、传能多模光纤和传感光纤光栅，激光光源发出的光通过传能多模光纤导入肿瘤组织内，传感光纤光栅的栅区置入肿瘤组织内，一个宽带光源发出的光经过一个光纤耦合器连接到传感光纤光栅，其反射谱由光纤连接到光谱仪，光谱仪连接到一个电脑终端。反射谱数据输入电脑终端，通过核心反演算法得到被治疗肿瘤部位的分布温度。本发明结构简单，制作容易，成本低，精度高，有很强的实用性，为治疗过程中组织温度的实时测量提供了一种可靠的方案。

说明书

技术领域：

本发明属于光纤传感与激光医学的交叉领域，特别涉及一种激光诱导间质热疗中分布温度实时测量系统及数据处理方法，用于治疗过程中激光辐照肿瘤组织区域的分布温度实时测量。

背景技术：

激光诱导间质热疗法(LITT，laser-induced interstitial thermotherapy)是利用激光热效应使局部组织凝结的一种新型的肿瘤治疗技术。它能通过较小的侵入达到原位肿瘤清除的目的，与传统外科手术相比，很少出现大量出血的情况，已被用于临床脑、肝脏、乳腺、视网膜等部位的肿瘤治疗。研究表明，当生物组织的温度达到60℃时，会引起其中蛋白质和胶原蛋白的变性作用，破坏细胞的修复机理，导致组织的凝结和细胞坏死。但当温度进一步升高时，组织会发生汽化和碳化。温度超过300℃后，组织就会熔融。间质热疗法中主要利用激光的热凝结作用，应尽力避免组织的汽化、碳化和熔融。因此，在治疗过程中，实时温度控制就成为其中的一个关键的问题，但就目前的技术而言，激光的辐射量很难实时准确地测量或用数学方法计算得到，激光辐照过程中，组织温度的实时测量也很难实现，目前只能靠治疗者的经验来判断，这些局限均增加了治疗的危险性。

针对这一问题，现有的技术通过对生物组织建模，利用光子传输理论来解释组织对光的吸收和散射特性。对于光子在生物组织中的传输，最严格的方法是利用麦克斯韦方程组来推导，但其求解过程相当复杂，有时甚至无法完成。传输理论不需考虑麦克斯韦方程组，具有直接推断的特点。其中较常用的方法有Kubelka-Munk理论、一级散射、漫射近似法、蒙特卡罗法以及反向倍加法等。然而，由于组织各向异性，且不同类型的组织对辐照激光表现出的热特性和光特性也不相同，同时，组织中动态变化的血液灌注率会影响热损伤体积，所以这些模拟方法也会存在一定的偏差，且只适用在同质组织(例如肝脏)中。另外，可由医生利用影像技术，包括CT、超声、磁共振监测等，依据被辐照组织的颜色来判断组织的温度，以决定所使用的激光功率或者治疗时间，这会引入一定的主观误差。迈阿密大学的生物医学工程学院曾用热电偶测量激光与猪肉组织的热相互作用时的实时温度，其中存在一个主要的缺点是：热电偶的不锈钢针会对治疗时使用的红外激光有很强的吸收，从而产生一个背景温度噪声，虽然该文献报道中考虑了干扰，并利用近似方法去除温度噪声，但还是对实验结果有一定的影响。而且不锈钢针只能测量一点的温度，为了得到整个组织的温度，需要多只热电偶，装置复杂且在LITT治疗时不易实现。在实际中还有应用荧光光纤温度计测量被治疗组织的温度，虽然具备光纤的很多的优点，但是其只能得到被治疗区域的一个平均温度值，不能够反映治疗区域的分布温度，继而也就不能保证周围健康组织或敏感部位的安全。

光纤光栅以其本质安全，不受电磁干扰，灵敏度高，质量轻，体积小，易于复用，可远距离遥测，能埋入工程等优点，备受传感领域的关注，是当前传感器发展的主流方向之一。现在已研制出了许多类型的温度光纤传感器，给此系统奠定了理论基础。

发明内容：

本发明针对解决激光间质热疗中实时测温的瓶颈，提供一种结构简单、制作容易、成本低、高精度高、有很强的实用性的激光诱导间质热疗中分布温度实时测量系统及数据处理方法，在激光间质热疗过程中，可以随时观察被治疗部位的准确温度分布，继而做出正确的判断，能够保证肿瘤周围正常组织或敏感部位的安全。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种激光诱导间质热疗中分布温度实时测量的系统，包括激光光源，宽带光源，1×2的5∶5光纤耦合器，光谱仪，电脑终端，传能多模光纤和传感光纤光栅。其特征是：所述激光光源发出的光通过所述传能多模光纤导入肿瘤组织内；所述传感光纤光栅的栅区置入肿瘤组织内；一个宽带光源发出的光经过一个1×2的5∶5光纤耦合器连接到所述传感光纤光栅，其反射光谱由光纤连接到光谱仪上显示；所述光谱仪连接一个电脑终端，光谱仪上的反射谱数据实时传入电脑终端中，通过光谱反演程序得到被治疗肿瘤部位的分布温度。

上述传感光纤光栅的栅区长度大于1cm，可实现完全分布式温度传感。

上述传能多模光纤和传感光纤光栅被制作成一个治疗终端，其结构为：所述传能多模光纤被放置在一个双层的玻璃套管内，其中外层玻璃管是备用的，当激光功率较大时，激光会对传能多模光纤的出光端产生热损伤，这时可通入循环水进行冷却；所述传感光纤光栅放置在一个具有狭槽的玻璃管内，栅区在开槽区域内，保证测量值是肿瘤组织的真实温度，另外消除了因组织柔软性产生任何形变而对传感光纤光栅产生的弯曲应力，也消除了因温度的升高导致肿瘤组织收缩对传感光纤光栅产生的轴向应力；所述传感光纤光栅的一端用粘合剂密封，固定了其与所述传能多模光纤的相对位置，另一端放置在折射率匹配胶内，消除末端反射光对反射谱的影响。

一种激光诱导间质热疗中温度实时测量数据处理方法，采用上述系统进行实时测量，其特征在于对温度传感光纤光栅反射谱数据输入电脑终端，通过光谱反演程序得到被治疗肿瘤部位温度分布的核心反演算法是改进的进化模拟退火算法，保证实时动态地监测肿瘤区域的分布温度，其步骤为：根据光纤光栅的基本理论计算出温度的最值，选取一个最优的初始分布温度进行迭代；如果光纤光栅反射谱的谐振峰稀疏，将每段子光栅的温度区间设置大些，反之亦然；按照进化模拟退火算法进行迭代，利用舍去的变异分布温度来收敛区间，提高效率。

本发明与现有的技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.相比计算机模拟技术来说，不需要考虑初始条件，因此使得LITT治疗也可用于异质组织中，并且可实时动态地监测被治疗区域的真实温度变化。

2.对影像技术来说，此系统可作为辅助，因其可以在体实时监测被治疗区域的温度变化，从而消除了治疗者凭借经验做出治疗判断带来的主观误差。

3.传感光纤光栅不受输入激光的影响，从而消除了热电偶的探针在治疗过程中吸收一定的激光后产生的温度噪声。

4.此系统采用一根传感光纤光栅实现完全分布式测量，从而消除了采用多只热电偶测量整个被治疗组织分布温度造成的探测系统繁琐问题。

5.相比准分布式光纤光栅温度传感测量来说，采用较长栅区的光纤光栅和光谱反演算法结合的技术为完全分布式测量，可以探测整个治疗组织的温度分布并可实时监测其动态变化，这也就使得探测系统简单。

6.光纤荧光温度传感器只能得出被治疗组织的一个平均温度值，而此测量系统可以获得被治疗区域的分布温度，保证了周围组织或敏感部位的安全，降低了手术的危险。

7.此测量系统制作容易，精度高，成本低。

附图说明：

图1为本发明一个实施例激光诱导间质热疗中分布温度实时测量系统结构示意图。

图2是由温度传感光纤光栅和传能多模光纤组成的治疗终端的结构示意图。

具体实施方式：

参见图1，本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：本激光诱导间质热疗中分布温度实时测量的系统包括激光光源11，宽带光源15，1×2的5∶5光纤耦合器16，光谱仪17，电脑终端18，传能多模光纤12和传感光纤光栅14。工作原理：激光光源11发出的光经过传能光纤12导入被治疗的肿瘤组织13内，肿瘤组织13吸收激光后会引起温度升高，按照光子传输理论可知，此时的温度是非均匀分布的。将一根具有较长栅区的光纤光栅14也放置在被治疗的肿瘤组织13内，并且宽带光源15发出的光经过1×2的5∶5光纤耦合器16进入光纤光栅14，其反射谱显示在光谱仪17上，由于肿瘤组织13内温度场的变化使得栅区不同位置产生不同的反射条件，导致反射谱发生变化，接着将反射谱数据实时传入电脑终端18中，通过高效率的改进的进化模拟退火算法反演出光纤光栅14上的温度分布，从而对治疗做出准确的判断。

在治疗过程中，传能光纤12与光纤光栅14的相对位置十分重要，因为位置的变化会导致光栅的反射谱发生改变，从而致使结果错误，所以需要制备良好的治疗终端。参见图2，治疗终端的结构是：传能光纤12放置在一个双层的玻璃套管21内，其中外层玻璃管是备用的，当激光功率较大时，激光会对光纤12的出光端产生热损伤，这时可通入循环水进行冷却。因为肿瘤组织3是比较柔软的，所以任何的形变都会对光纤光栅14产生一个弯曲应力。另外，在治疗过程中，由于温度的升高，肿瘤组织会收缩，此时会对光纤光栅14产生一个轴向应力，上述两种应力的存在会对结果产生误差。为了消除两种应力，并保证传能光纤12与光纤光栅14具有固定的相对位置，将光纤光栅放置在一个具有狭槽的玻璃管内，栅区在开槽区域内，这样就保证实时测量的是被治疗组织的真实温度，并且一端用粘合剂22固定以保持位置不变，另一端放置在折射率匹配胶23内，消除光纤光栅14末端的反射光带来的影响。

本激光诱导间质热疗中温度实时测量数据处理方法，采用上述系统进行测量，对温度传感光纤光栅14反射谱数据输入电脑终端18，通过光谱反演程序得到被治疗肿瘤部位温度分布的核心反演算法是改进的进化模拟退火算法，保证实时动态地监测肿瘤区域的分布温度，其步骤为：

①、根据光纤光栅的基本理论计算出温度的最值，选取一个最优的初始分布温度进行迭代；

②、如果光纤光栅反射谱的谐振峰稀疏，将每段子光栅的温度区间设置大些，反之亦然；

③、按照进化模拟退火算法进行迭代，利用舍去的变异分布温度来收敛区间，提高效率。