Penerapan pengukuran suhu serat optik dan sistem sensor di bidang medis invasif minimal

Dalam beberapa dekade terakhir, Hipertermia invasif minimal (yaitu. ablasi frekuensi radio, ablasi laser, ablasi gelombang mikro, ablasi ultrasound terfokus intensitas tinggi, dan cryoablasi) telah diakui secara luas di bidang reseksi tumor. Teknik-teknik ini menginduksi peningkatan atau penurunan suhu lokal untuk menghilangkan tumor sambil menjaga integritas jaringan sehat di sekitarnya. Mengukur suhu jaringan secara akurat mungkin sangat bermanfaat untuk meningkatkan hasil pengobatan, karena dapat berfungsi sebagai titik akhir yang jelas untuk mencapai ablasi tumor lengkap dan meminimalkan kekambuhan. Di antara beberapa teknologi pengukuran suhu yang digunakan di bidang ini, Sensor Serat Optik (FOS) Memiliki beberapa karakteristik yang menarik: fleksibilitas tinggi dan ukuran sensor dan kabel yang kecil memungkinkan penyisipan FOS ke dalam jaringan dalam; Untuk aplikasi ini, serat Bragg kisi-kisi dan respons frekuensi (ratusan kHz) cukup; Kekebalan terhadap interferensi elektromagnetik memungkinkan penggunaan FOS selama program termal yang dipandu oleh resonansi magnetik atau computed tomography. Dalam ulasan ini, status saat ini dari FOS yang paling umum digunakan untuk pemantauan suhu dalam proses termal (seperti sensor kisi serat Bragg; sensor fluoresensi) diperkenalkan, dengan fokus pada prinsip kerja dan karakteristik metrologi mereka. Sertakan prinsip-prinsip fisik dasar dari teknik ablasi umum untuk menjelaskan keuntungan menggunakan FOS dalam program ini.
Teknik invasif minimal telah diakui secara luas sebagai alternatif untuk operasi tradisional untuk pengobatan kanker dan untuk merawat pasien yang tidak cocok untuk operasi. Keluarga khusus teknik invasif minimal diwakili melalui program ablasi termal, yang memicu kenaikan suhu lokal (ablasi laser (LA), ablasi frekuensi radio (RFA), USG terfokus intensitas tinggi (HIFU), dan ablasi gelombang mikro (MWA)) atau pengurangan (cryoablasi) untuk membunuh seluruh tumor sambil melindungi jaringan sehat di sekitarnya. Keuntungan utama mereka dibandingkan operasi tradisional terletak pada kemungkinan operasi ablasi melalui perkutan, Endoskopi, atau bimbingan ekstrakorporeal, sehingga meminimalkan trauma fisik pada pasien, menghindari komplikasi yang merugikan, mengurangi kebutuhan anestesi umum, dan merawat pasien yang tidak dapat menjalani operasi manual. Elemen-elemen ini dapat mengurangi waktu pemulihan pasien, sehingga menurunkan biaya rumah sakit.

Pemantauan suhu dianggap sangat bermanfaat untuk mengatur pengiriman energi selama perawatan. Telah terbukti bahwa suhu juga dapat berfungsi sebagai titik akhir yang jelas untuk mencapai ablasi tumor lengkap dan meminimalkan kekambuhan. Sebagai tambahan, Efektivitas alat perencanaan perawatan suhu tinggi dalam manajemen perawatan dapat ditingkatkan dengan mengukur umpan balik secara akurat pada suhu jaringan. Dalam beberapa dekade terakhir, Beberapa teknik pengukuran suhu telah diusulkan untuk memandu perawatan berbasis ablasi dalam penelitian, dan baru-baru ini dalam pengaturan klinis. Metode ini dapat dibagi menjadi invasif (Berbasis kontak) dan non-invasif (berbasis non-kontak). Dalam kasus pengukuran suhu non-invasif, Perubahan suhu diukur tanpa kontak antara perangkat dan bodi internal, dan disimpulkan dari gambar karakteristik jaringan yang bergantung pada suhu; Metode yang paling terkenal didasarkan pada pencitraan resonansi magnetik (BAPAK), computed tomography (CT), Usg (KITA) Pencitraan, dan elastografi gelombang melintang. Meskipun ada keuntungan yang jelas terkait dengan kurangnya kontak dan kemungkinan mendapatkan peta suhu 3D, Metode pengukuran suhu berbasis gambar belum cukup matang untuk digunakan sebagai alat klinis untuk memantau semua program termal. Sebenarnya, Termometri MR dianggap sebagai standar emas klinis saat ini dalam termometri non-invasif, membutuhkan urutan yang dirancang khusus yang sensitivitas termalnya tergantung pada jenis jaringan, kecuali teknologi pergeseran frekuensi resonansi proton digunakan. Sebagai tambahan, Pemindai MR hanya dapat dioperasikan dengan perangkat yang kompatibel dengan MR; Metode termometri CT menggunakan radiasi pengion (Sinar-X), Jadi perhatian pertama terkait dosis pasien. Sebagai tambahan, Sensitivitas termalnya bergantung pada jaringan dan hanya studi pendahuluan yang telah dilakukan pada penilaian kelayakannya secara in vivo; Kelihatannya sangat menjanjikan, tetapi hanya dalam kisaran suhu hingga sekitar 50 ° C; Sebagai tambahan, Saat suhu mendekati 60 ° C, Menggunakan metode tertentu (seperti pengukuran suhu berdasarkan perubahan kecepatan suara dengan suhu) dapat mengakibatkan akurasi teknik ini yang buruk, dan sensitivitas termal tergantung pada sifat-sifat jaringan.

Metode invasif mengharuskan sensor dimasukkan ke dalam jaringan target, tetapi sistem pencitraan yang lebih hemat biaya, dan dalam beberapa model yang tersedia secara komersial, Sensor tertanam dalam probe pengiriman energi untuk meminimalkan invasif program.

Sekarang, Sensor yang paling umum digunakan adalah termokopel dan sensor serat optik (FOS). Termokopel yang terdiri dari dua kabel logam tidak mahal, cukup tepat (~1 ° C), dan memiliki waktu respons yang relatif singkat (yang sangat tergantung pada diameter probe dan mungkin jauh lebih pendek dari 1 kedua). Dilain pihak, Ada dua alasan utama yang dapat menyebabkan kesalahan pengukuran: (saya) penyerapan langsung cahaya melalui kawat logam saat melewati LA, HIFU dapat menyebabkan perkiraan suhu yang signifikan selama perawatan ultrasonografi, dan konduktivitas termal yang tinggi dari kawat logam juga dapat menyebabkan perkiraan suhu yang berlebihan (cryoablasi) atau meremehkan (untuk terapi suhu tinggi). Sebagai tambahan, kabel logam dapat menyebabkan artefak gambar yang signifikan dalam program termal yang dipandu CT atau MR.

Dalam konfigurasi tertentu, Teknologi serat optik memungkinkan untuk mengatasi hambatan ini: karena konstruksinya (kaca atau polimer), FOS tidak mudah dinilai terlalu tinggi karena penyerapan cahaya, dan memiliki konduktivitas termal yang rendah (kaca silikon adalah penebat yang sangat baik). Sebagai tambahan, FOS yang kompatibel dengan MR dapat digunakan dalam program panas yang dipandu CT dan MR. Karakteristik ini membuat teknologi FOS sangat menarik untuk pemantauan suhu selama proses perlakuan panas.

Ada beberapa jenis FOS, yang didasarkan pada prinsip kerja yang berbeda dan biasanya dibagi menjadi dua kategori yang melekat, dengan serat optik membentuk elemen penginderaan; Eksternal, Serat optik hanya digunakan sebagai media untuk mentransmisikan cahaya ke dan dari masing-masing komponen atau ruang. Di antara sejumlah besar FOS, hanya dua yang banyak digunakan untuk pengukuran suhu selama proses perlakuan panas, yaitu sensor kisi serat Bragg (FBG) dan sensor fluoresensi. Selain fitur berharga yang tercantum, FBG juga dapat melakukan terdistribusi, kuasi didistribusikan, dan pengukuran multi-titik, memungkinkan pengukuran suhu pada titik yang berbeda dalam organisasi dengan memasukkan satu elemen berukuran kecil (seperti elemen optik). Serat dengan diameter luar beberapa ratus mikrometer.

Artikel ini mengulas teknologi terbaru FOS (terutama sensor FBG dan fluoresensi) Digunakan untuk pemantauan suhu dalam perlakuan panas. Sepanjang artikel, Deskripsi penting tentang kelebihan dan kekurangan utama dari kedua sensor ini disediakan, sambil mempertimbangkan perlakuan panas yang berbeda. Untuk kejelasan, Produk dibagi menjadi dua bagian utama: Bagian pertama menjelaskan prinsip fisik dasar dari prosedur termal yang paling umum digunakan dan pentingnya pemantauan suhu selama proses pemrosesan ini; Di bagian kedua, Prinsip pengukuran, Kelebihan dan kekurangan sensor FBG dan fluoresensi, serta aplikasinya di bidang yang diminati, dijelaskan. Fiber optic sensors used for temperature monitoring in heat treatment processes have key advantages in performance, tingginya (Area Penginderaan dan Pengkabelan), dan kemungkinan integrasi dibandingkan dengan rekan-rekan elektronik mereka (seperti sistem mikroelektromekanis (MEMS)) Dari segi prinsip kerja dan karakteristik metrologi. Metode pengukuran suhu berbasis fluoresensi pertama kali dikomersialkan di 1978; Sistem optik fluoresen selalu mendukung pengukuran termal pada hipertermia, terutama dalam dekade terakhir. Baru-baru ini, perkembangan baru dalam sensor FBG, terutama metode pembuatan berdasarkan menara gambar kawat, telah mengurangi biaya dan resolusi spasial sensor FBG menjadi 0.5 ke 2 sensor/cm dalam serat optik yang sama. Teknologi yang muncul memungkinkan “sangat padat” Penginderaan, mengurangi resolusi spasial hingga di bawah milimeter: dua contoh penting adalah kisi-kisi serat Bragg, yang memperluas prinsip FBG, dan sistem penginderaan terdistribusi berdasarkan interferometri panjang gelombang pemindaian untuk analisis hamburan Rayleigh.

Pedoman pengoperasian sensor berbasis fluoresensi.

Prinsip pengoperasian sensor berbasis fluoresensi, dikombinasikan dengan serat optik, didasarkan pada pengukuran masa pakai fluoresensi. Tidak ada penelitian tentang pengukuran suhu berbasis fluoresensi pada tahun 1990-an, di mana prinsip redaman fluoresensi pada bahan fosfor diterapkan dalam serat optik.

Pemeriksaan fluoresensi eksternal didasarkan pada pengukuran waktu peluruhan fluoresensi, yang diinduksi oleh bahan fluoresen seperti ruby, zamrud, Th, atau beberapa bahan tanah jarang. Sistem pengukuran suhu tipikal berdasarkan fluoresensi eksternal diusulkan. Menggunakan pola gelombang persegi yang dimodulasi secara internal dan digabungkan dengan sumber cahaya di dalam serat standar untuk merangsang fosfor; Probe adalah daerah doping di ujung serat Cr 3 + safir, disambung menjadi serat kuarsa dan dikemas dalam selubung alumina. Fotodetektor berkecepatan tinggi digunakan untuk merekam waktu peluruhan bahan fluoresen. Biasanya, Nilai suhu diekstraksi dari output sensor melalui dua langkah: menggairahkan elemen penginderaan dengan pulsa cahaya; Setelah stimulus ini, Sinyal fluoresensi meluruh secara eksponensial. Konstanta waktu tren eksponensial tergantung pada suhu, sehingga dapat dianggap sebagai pengukuran suhu tidak langsung. Karena peluruhan eksponensial terbatas pada beberapa μ. Sensor lensa neon biasanya memiliki respons yang cepat.

Sebagai tambahan, Sebagian besar bahan tanah jarang kompatibel dengan operasi dari suhu kamar hingga lebih 200 ° C, serta operasi di bawah ini -40 ° C. Bahan; Kisaran suhu pengoperasian sistem adalah -100-290 ° C, dengan akurasi 0.1 ° C. Fitur menarik dari sistem berbasis fluoresensi termasuk kecepatan deteksi, ketepatan, dan kemungkinan menggunakan probe serat optik sebagai unit sekali pakai, Dan oleh karena itu beberapa paten telah dikembangkan untuk menggabungkan satu atau lebih sensor suhu serat optik dalam ablasi termal.
Prinsip kerja serat Bragg kisi (FBG).

Kisi Serat Bragg (FBG) Sensor adalah metode yang paling umum digunakan dalam penginderaan serat optik modern. FBG adalah filter takik selektif panjang gelombang yang dapat memantulkan spektrum sempit di dekat panjang gelombang puncak tunggal; Ketika perubahan suhu diterapkan pada struktur FBG, spektrum FBG bergeser dengan sensitivitas konstan yang hampir sempurna. Jadi, panjang gelombang yang sesuai dengan nilai maksimum intensitas spektral pantulan disebut panjang gelombang Bragg ( λ B) dapat digunakan untuk memperkirakan suhu. Karena pantulan spektral FBG yang sempit dan transparansi terhadap semua panjang gelombang lainnya, beberapa array FBG dapat digunakan pada serat yang sama, masing-masing dengan panjang gelombang pusat yang berbeda, sehingga memanfaatkan multiplexing pembagian panjang gelombang (WDM). Dalam konfigurasi ini, Sistem berbasis FBG telah memperoleh dimensi baru penginderaan biomedis, karena memungkinkan beberapa sensor mikro dihosting pada serat optik yang sama, Memaksimalkan kemampuan penginderaan. Biaya sensor FBG kira-kira $35 atau lebih rendah. Namun, Sistem yang digunakan untuk menginterogasi sensor lebih mahal.

FBG memiliki sensitivitas konstan dalam rentang pengukuran yang diperlukan untuk ablasi termal (yaitu. 30-100 ° C), dengan nilai tipikal ~ 10 pm · ° C-1. Terukir pada serat optik yang sama dengan 5 Sensor FBG, cocok untuk ablasi RF; Setiap FBG memiliki panjang efektif 0.5 sentimeter, kapasitas penginderaan 1 FBG/cm, dan jarak 1.8 nm antara setiap panjang gelombang puncak; Hasil ini sesuai dengan salah satu contoh terbaru dari penginderaan FBG dalam ablasi termal. Respons lima susunan FBG selama proses pemanasan dan pendinginan ditunjukkan pada Gambar 4. Kemungkinan melakukan WDM dan mengintegrasikan beberapa sensor ke dalam satu serat dengan kepadatan sempit adalah keunggulan utama sensor FBG dibandingkan dengan sensor berbasis fluoresensi. Dengan menggunakan interogator untuk mendeteksi spektrum FBG dan menerapkan pasca-pemrosesan, Suhu setiap sensor dapat diambil dengan akurasi 0.1 ° C.
Dengan banyak kemajuan terbaru dalam teknologi manufaktur, teknologi di balik sensor FBG berkembang pesat. Aspek yang paling penting adalah bahwa konsolidasi manufaktur menara gambar kawat array FBG didasarkan pada apa yang disebut kisi-kisi menara gambar kawat yang diindustrikan (DTG) yang mengekspos serat ke sinar UV melalui masker fase, memberikan keunggulan metrologi yang signifikan dibandingkan teknik manufaktur FBG tradisional. DTG dapat diproduksi melalui pemosisian yang tepat: sesuai satu-ke-satu dengan panjang gelombang Bragg dari setiap sensor yang menyusun array, dan di sepanjang posisi geometris serat optik; Ini penting dalam hipertermia untuk memberikan rekonstruksi pola suhu yang andal. Karena proses pembuatan DTG tidak memerlukan pengelupasan dan pengecatan ulang lapisan penyangga serat, mempertahankan kekuatan dan ketebalan asli, kekuatan mekanik juga meningkat. Sebagai tambahan, DTG biasanya diproduksi pada serat yang tidak sensitif. Sekarang, array DTG komersial mencapai kepadatan 1 FBG/cm pada serat tunggal.

Teknologi baru untuk manufaktur FBG baru-baru ini didirikan, yang menggunakan laser femtosecond untuk perekaman titik demi titik. Teknologi ini berpotensi meningkatkan kemampuan penginderaan, karena dapat segera memproduksi FBG yang sangat reflektif dengan panjang<1mm untuk kemasan array padat. Aplikasi utama. Selama LA, RFA, dan baru-baru ini selama MWA dan cryoablation, FBG terutama digunakan untuk memantau suhu jaringan.

Pedoman kerja FBG. FBG bermanifestasi sebagai rantai FBG yang berkelanjutan, dengan setiap FBG memiliki panjang gelombang puncak yang berbeda. Konfigurasi yang paling menarik adalah FBG linier (LCFBG), di mana panjang gelombang Bragg bervariasi secara linier di ruang.

Panjang pembuatan FBG adalah 1.5 sentimeter hingga 5 Sentimeter, dan rentang bandwidthnya adalah 5 nanometer ke 50 nanometer. Dari perspektif metrologi, LCFBG bermanifestasi sebagai serangkaian sensor; Spektrumnya berasal dari seluruh mode suhu semua sensor. Penerapan LCFBG dalam pengukuran suhu resolusi spasial masih dalam tahap yang relatif awal. Dengan menggunakan LCFBG alih-alih array FBG standar, resolusi spasial telah menurun menjadi jauh lebih sedikit dari 1mm, dan terutama dibatasi oleh kemampuan sistem decoding untuk menganalisis pola suhu dari spektrum LCFBG. Spektrum refleksi mundur dari FBG dapat direkam oleh interogator yang sama yang digunakan untuk FBG seragam, Tetapi perangkat lunak yang disesuaikan dapat dikembangkan untuk memecahkan kode sinyal dan memperkirakan suhu, karena saat ini tidak ada perangkat lunak yang tersedia secara komersial.

Aplikasi utama. FBG menjadi semakin populer di bidang pemantauan suhu jaringan dalam program termal baru-baru ini, terutama RFA. Menampilkan resolusi spasial 75 mikron pada panjang 1.5 Sentimeter. Namun, Teknik decoding terutama digunakan untuk mode suhu monotonik. Penelitian saat ini bertujuan untuk mengembangkan algoritma decoding cepat untuk mode suhu non monotonik, seperti yang biasa diperoleh dalam ablasi termal.

Prinsip kerja penginderaan terdistribusi hamburan Rayleigh.

Penginderaan Suhu Terdistribusi (DTS) mengadopsi pendekatan yang berbeda dari teknologi sebelumnya, karena menggunakan serat optik standar sebagai sensor; Decoding adalah proses yang dilakukan dalam domain waktu atau frekuensi dengan mengukur pola Rayleigh hamburan balik,. Sekarang, instrumen standar emas DTS yang digunakan untuk pengukuran termal resolusi spasial padat didasarkan pada prinsip operasi pemindaian interferometri panjang gelombang. Sistem DTS ini mampu merekam karakteristik hamburan balik Rayleigh dari serat penginderaan sumber dan menganalisisnya dengan akurasi spasial sub milimeter. Sensor ini dikembangkan menggunakan serat optik mode tunggal standar (dengan biaya yang dapat diabaikan), tetapi mereka membutuhkan interogator yang mahal untuk menganalisis dan merekam sinyal.

Performa bergantung pada trade-off yang erat antara resolusi spasial, ketepatan, Panjang efektif, dan waktu pengambilan sampel. Mencapai resolusi spasial 200 mikron dan akurasi kira-kira 0.5 ° C, dengan tingkat pengukuran 1 Hz. Karena penggunaan serat optik standar dalam sistem, Tidak perlu membuat struktur apa pun, sehingga probe sekali pakai berbiaya rendah dapat dikembangkan; Dilain pihak, Biaya interogator setidaknya satu kali lipat lebih tinggi daripada sistem penginderaan serat optik dan perangkat ablasi lainnya. Rayleigh scattering distributed sensing systems have been adopted in medical scenarios, meskipun mereka adalah solusi yang menjanjikan untuk pengukuran suhu terdistribusi atau gradien termal.

Sensor suhu serat optik, Sistem pemantauan cerdas, Produsen serat optik terdistribusi di Cina