CN102081415A - 激光诱导间质热疗中实时分布式温控系统 - Google Patents

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陈娜
丁悦通
丁丁
陈少峰
陈振宜
王廷云
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Abstract

本发明涉及一种激光诱导间质热疗中实时分布式温控系统。它包括治疗激光光源、导光光纤、传感光纤光栅、宽带光源、环形器、光谱仪、电脑和治疗激光光源控制电路。治疗激光通过导光光纤注入到待治疗组织内形成一个温度分布场，引起传感光纤光栅的反射谱发生相应变化，光纤光栅的反射谱经过环形器被光谱仪获得。电脑从光谱仪获得反射谱，并根据解调算法程序实时计算出治疗区域的温度分布情况，利用温度分布场通过控制电路实时反馈控制激光光源的输出功率，达到安全治疗的效果。本发明结构简单，成本低，精度高，具有很强的实用性，为治疗过程中组织温度分布的实时测量和控制提供了一种有效的方案，提高了治疗的安全性。

Description

激光诱导间质热疗中实时分布式温控系统
技术领域
本发明述及一种激光诱导间质热疗中实时分布式温控系统，特别涉及一种激光诱导间质热疗中使用光纤布拉格光栅实时解调出治疗区域温度分布情况，并控制治疗激光功率实现温度控制的系统，属于光纤传感与激光医学的交叉领域。
背景技术
激光诱导间质热疗法（laser induced interstitial thermotherapy，LITT）是利用激光热效应使局部组织加热凝结的一种新型的肿瘤治疗技术。它的基本思想是：将激光注入到需要凝结的组织或肿瘤内，使组织细胞温度超过43℃，并保持几分钟，从而杀死该组织细胞。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，成为微创手术的一个很合适的工具。
温度是激光诱导间质热疗法中非常重要的衡量指标，它的准确与否直接影响到治疗的有效性和安全性，对激光在医学中的实际应用具有重要影响。而且，LITT治疗过程中，激光的照射剂量是整个治疗过程的核心，它直接决定了被激光凝结区域的范围和治疗的安全性，如脑手术中，需要治疗的肿瘤非常接近要害组织时，必须严格控制避免损伤到邻近的健康组织和敏感结构。因此，在临床手术中实时获得被激光照射组织区域的温度分布信息是十分重要的。目前常见的做法有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，然而，由于组织各向异性和实际情况的复杂性，建模往往和实际有偏差，计算机模拟得到的温度和实际有一定出入。另外也有使用多个热电偶对治疗区域实时测温，但是热电偶体积较大，数量较多时比较难以实现，而且会产生不必要的额外创口。还有一种是使用磁共振成像（MRI）实时温度监测，但是MRI成像与实际毁损过程之间有延迟现象，而且温度分布场的空间分辨率不高，成像过程时间较长。
发明内容
本发明的目的在于解决激光诱导间质热疗中实时分布式测温，并对治疗区域大小进行有效控制，提供一种激光诱导间质热疗中实时分布式温控系统，具有简单实用，可以治疗区域的分布式温度进行高空间分辨率的快速实时检测和控制，进而达到安全治疗的效果。
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实时分布式温控系统，包括：治疗激光光源，导光光纤，环形器，宽带光源，传感光纤光栅，光谱仪，治疗激光光源控制电路和电脑。其特征是:所述治疗激光光源产生的治疗激光通过导光光纤导入到待治疗区域内；所述传感光纤光栅随导光光纤置入治疗区域内；所述环形器连接宽带光源、传感光纤光栅和光谱仪。宽带光谱产生的光通过环形器到达传感光纤光栅，传感光纤光栅的反射谱通过环形器被光谱仪记录下来；所述电脑和光谱仪以及治疗激光光源控制电路相连。电脑从光谱仪获得光纤光栅反射谱，并通过解调程序实时解调出施加在传感光纤光栅上的温度分布场，根据解调出的温度分布场发出控制指令给激光光源控制电路；所述激光光源控制电路和治疗激光光源相连，接收来自电脑的控制指令，并控制治疗激光光源的输出功率。
上述传感光纤光栅为光纤布拉格光栅，其栅区起始和终止位置已知。
上述解调程序控制光谱仪不断扫描传感光纤光栅反射光谱，再使用相关单粒子算法，从每次传感光纤光栅反射光谱中反演出温度分布，并且以本次的解调结果作为下一次光谱反演的初始分布谱，进而加快反演速度。
上述解调程序解调出温度分布场后，根据目标治疗区域边界的温度发送激光光源功率控制指令，从而实现精确控制治疗区域大小，避免损伤健康组织。
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）    光纤光栅体积小，抗电磁干扰，不会引人额外创口，可以和磁共振成像共同辅助治疗；
（2）    可以实现高空间分辨率的实时分布式温度测量；
（3）    利用温度分布场可以实现治疗区域温度的有效控制，控制治疗区域的大小，避免损伤健康组织，提高治疗的安全性。
附图说明
图1为本发明一个实施例激光诱导间质热疗中实时分布式温控系统结构示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图1说明如下：
实施例一：本激光诱导间质热疗中实时分布式温控系统，其包括：治疗激光光源1，导光光纤2，环形器4，宽带光源5，传感光纤光栅6，光谱仪7，治疗激光光源控制电路8和电脑9。治疗激光光源1产生的治疗激光通过导光光纤2导入到待治疗区域3内。传感光纤光栅6随导光光纤2置入治疗区域3内。环形器4连接宽带光源5、传感光纤光栅6和光谱仪7。宽带光谱5产生的光通过环形器4到达传感光纤光栅6，传感光纤光栅6的反射谱通过环形器4被光谱仪7记录下来。电脑9和光谱仪7以及治疗激光光源控制电路8相连。电脑9从光谱仪7获得光纤光栅反射谱，并通过解调程序实时解调出施加在传感光纤光栅6上的温度分布场，根据解调出的温度分布场发出控制指令给激光光源控制电路8。激光光源控制电路8和治疗激光光源1相连，接收来自电脑7的控制指令，并控制治疗激光光源1的输出功率。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：传感光纤光栅6为光纤布拉格光栅，其栅区起始和终止位置已知。
所述光谱仪7为解调程序控制光谱仪，不断扫描传感光纤光栅反射光谱，再使用相关单粒子算法，从每次传感光纤光栅反射光谱中反演出温度分布，并且以本次的解调结果作为下一次光谱反演的初始分布谱，进而加快反演速度。
解调程序解调出温度分布场后，根据目标治疗区域边界的温度发送激光光源功率控制指令，从而实现精确控制治疗区域大小，避免损伤健康组织。

Claims (4)

1.一种激光诱导间质热疗中实时分布式温控系统，包括：治疗激光光源（1），导光光纤（2），环形器（4），宽带光源（5），传感光纤光栅（6），光谱仪（7），治疗激光光源控制电路（8）和电脑（9）；其特征在于:
所述治疗激光光源（1）产生的治疗激光通过导光光纤（2）导入到待治疗区域（3）内；
所述传感光纤光栅（6）随导光光纤（2）置入治疗区域（3）内；
所述环形器（4）连接宽带光源（5）、传感光纤光栅（6）和光谱仪（7）；所述的宽带光谱（5）产生的光通过环形器（4）到达传感光纤光栅（6），传感光纤光栅（6）的反射谱通过环形器（4）被光谱仪（7）记录下来；所述电脑（9）与光谱仪（7）和治疗激光光源控制电路（8）相连：电脑（9）从光谱仪（7）获得光纤光栅反射谱，并通过解调程序实时解调出施加在传感光纤光栅（6）上的温度分布场，根据解调出的温度分布场发出控制指令给激光光源控制电路（8）；所述激光光源控制电路（8）和治疗激光光源（1）相连，电脑（7）输出控制指令控制治疗激光光源（1）的输出功率。
2.根据权利要求1所述的激光诱导间质热疗中实时分布式温控系统，其特征在于所述传感光纤光栅（6）为光纤布拉格光栅，其栅区起始和终止位置已知。
3.根据权利要求1所述的激光诱导间质热疗中实时分布式温控系统，其特征在于所述光谱仪（7）为解调程序控制光谱仪，不断扫描传感光纤光栅（6）反射光谱，再使用相关单粒子算法，从每次传感光纤光栅反射光谱中反演出温度分布，并且以本次的解调结果作为下一次光谱反演的初始分布谱，进而加快反演速度。
4.根据权利要求1所述的激光诱导间质热疗中实时分布式温控系统，其特征在于所述解调程序解调出温度分布场后，根据目标治疗区域边界的温度发送激光光源功率控制指令，从而实现精确控制治疗区域（3）大小，避免损伤健康组织。
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