[发明专利]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

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。