Utumiaji wa kipimo cha halijoto ya nyuzi macho na mfumo wa vitambuzi katika uwanja wa matibabu wenye uvamizi mdogo-INNO

Katika miongo ya hivi karibuni, hyperthermia ya uvamizi mdogo (i.e. uondoaji wa masafa ya redio, kuondolewa kwa laser, uondoaji wa microwave, uondoaji wa ultrasound unaozingatia kiwango cha juu, na kilio) imekuwa kutambuliwa sana katika uwanja wa resection tumor. Mbinu hizi hushawishi ongezeko la joto la ndani au kupungua ili kuondoa uvimbe huku hudumisha uadilifu wa tishu zenye afya zinazozunguka. Kupima kwa usahihi joto la tishu kunaweza kuwa na manufaa hasa kwa kuboresha matokeo ya matibabu, kwani inaweza kutumika kama kikomo wazi cha kufikia uondoaji kamili wa uvimbe na kupunguza kujirudia. Miongoni mwa teknolojia kadhaa za kipimo cha joto zinazotumiwa katika uwanja huu, sensorer za fiber optic (FOS) kuwa na sifa kadhaa za kuvutia: kubadilika kwa juu na ukubwa mdogo wa sensorer na nyaya huruhusu kuingizwa kwa FOS kwenye tishu za kina; Kwa maombi haya, nyuzi Bragg gratings na majibu frequency (mamia ya kHz) zinatosha; Kinga ya kuingiliwa na sumakuumeme inaruhusu matumizi ya FOS wakati wa programu za joto zinazoongozwa na resonance ya sumaku au tomografia iliyokadiriwa.. Katika tathmini hii, hali ya sasa ya FOS inayotumiwa zaidi kwa ufuatiliaji wa hali ya joto katika michakato ya joto (kama vile vitambuzi vya nyuzinyuzi za Bragg; sensorer za fluorescence) inatambulishwa, kwa kuzingatia kanuni zao za kazi na sifa za metrological. Jumuisha kanuni za kimsingi za mbinu za kawaida za uondoaji fedha ili kueleza manufaa ya kutumia FOS katika programu hizi.
Mbinu za uvamizi mdogo zimetambuliwa sana kama njia mbadala ya upasuaji wa jadi kwa matibabu ya saratani na kwa kutibu wagonjwa ambao hawafai kwa upasuaji.. Familia maalum ya mbinu za uvamizi mdogo inawakilishwa kupitia mpango wa uondoaji wa mafuta, ambayo huchochea ongezeko la joto la ndani (kuondolewa kwa laser (THE), uondoaji wa masafa ya redio (RFA), ultrasound inayozingatia kiwango cha juu (HIFU), na utoaji wa microwave (MW)) au kupunguza (kilio) kuua uvimbe wote huku ukilinda tishu zenye afya zinazozunguka. Faida yao kuu juu ya upasuaji wa jadi iko katika uwezekano wa upasuaji wa kuondoa kupitia percutaneous, endoscopic, au mwongozo wa ziada wa mwili, na hivyo kupunguza majeraha ya kimwili kwa wagonjwa, kuepuka matatizo mabaya, kupunguza haja ya anesthesia ya jumla, na kutibu wagonjwa ambao hawawezi kufanyiwa upasuaji wa mikono. Vipengele hivi vinaweza kupunguza muda wa kupona kwa wagonjwa, hivyo kupunguza gharama za hospitali.

Ufuatiliaji wa halijoto unachukuliwa kuwa wa manufaa hasa katika kudhibiti utoaji wa nishati wakati wa matibabu. Imeonyeshwa kuwa halijoto pia inaweza kutumika kama mwisho wazi ili kufikia uondoaji kamili wa tumor na kupunguza kujirudia.. Aidha, ufanisi wa zana za kupanga matibabu ya joto la juu katika usimamizi wa matibabu unaweza kuimarishwa kwa kupima kwa usahihi maoni juu ya joto la tishu.. Katika miongo ya hivi karibuni, mbinu kadhaa za kipimo cha joto zimependekezwa ili kuongoza matibabu ya msingi ya uondoaji katika utafiti, na hivi karibuni katika mazingira ya kliniki. Njia hizi zinaweza kugawanywa katika vamizi (mawasiliano kulingana) na zisizo vamizi (yasiyo ya mawasiliano msingi). Katika kesi ya kipimo cha joto kisicho na uvamizi, mabadiliko ya joto hupimwa bila kuwasiliana kati ya kifaa na mwili wa ndani, na huchukuliwa kutoka kwa picha za sifa za tishu zinazotegemea halijoto; Njia maarufu zaidi zinategemea imaging resonance magnetic (MR), tomografia ya kompyuta (CT), ultrasound (Marekani) taswira, na elastografia ya mawimbi ya kupita. Ingawa kuna faida dhahiri zinazohusiana na ukosefu wa mawasiliano na uwezekano wa kupata ramani za joto za 3D, mbinu za kupima halijoto kulingana na picha bado hazijakomaa vya kutosha kutumika kama zana za kimatibabu za kufuatilia programu zote za joto. Kwa kweli, Thermometry ya MR inachukuliwa kuwa kiwango cha sasa cha kliniki cha dhahabu katika thermometry isiyo ya vamizi, inayohitaji mpangilio maalum ambao unyeti wake wa joto hutegemea aina ya tishu, isipokuwa teknolojia ya mabadiliko ya mzunguko wa resonance ya protoni inatumiwa. Aidha, Vichanganuzi vya MR vinaweza tu kuendeshwa na vifaa vinavyoendana na MR; Njia ya CT thermometry hutumia mionzi ya ionizing (X-rays), hivyo wasiwasi wa kwanza unahusiana na kipimo cha mgonjwa. Aidha, unyeti wake wa joto hutegemea tishu na tafiti za awali pekee zimefanyika juu ya tathmini yake ya uwezekano katika maisha.; Inaonekana kuahidi sana, lakini ndani ya safu ya joto ya hadi karibu 50 °C; Aidha, wakati joto linakaribia 60 °C, kwa kutumia mbinu maalum (kama vile kipimo cha halijoto kulingana na mabadiliko ya kasi ya sauti na halijoto) inaweza kusababisha usahihi duni wa mbinu hii, na unyeti wa joto hutegemea mali ya tishu.

Mbinu za vamizi zinahitaji vitambuzi kuingizwa kwenye tishu lengwa, lakini mifumo ya picha ya gharama nafuu zaidi, na katika baadhi ya miundo inayopatikana kibiashara, vitambuzi vimepachikwa katika uchunguzi wa utoaji wa nishati ili kupunguza uvamizi wa programu.

Kwa sasa, sensorer zinazotumiwa zaidi ni thermocouples na sensorer za fiber optic (FOS). Thermocouple inayojumuisha waya mbili za chuma ni ya bei nafuu, sahihi kabisa (~1 °C), na ina muda mfupi wa kujibu (ambayo kwa kiasi kikubwa inategemea kipenyo cha uchunguzi na inaweza kuwa fupi zaidi kuliko 1 pili). Kwa upande mwingine, kuna sababu kuu mbili ambazo zinaweza kusababisha makosa ya kipimo: (i) kunyonya moja kwa moja kwa mwanga kupitia waya wa chuma wakati wa kupitia LA, HIFU inaweza kusababisha ukadiriaji mkubwa wa joto wakati wa matibabu ya ultrasound, na conductivity ya juu ya mafuta ya waya ya chuma inaweza pia kusababisha overestimation ya joto (kilio) au kudharauliwa (kwa matibabu ya joto la juu). Aidha, nyaya za chuma zinaweza kusababisha vizalia vya picha muhimu katika CT au programu za mafuta zinazoongozwa na MR.

Katika usanidi maalum, teknolojia ya fiber optic inaruhusu kushinda vikwazo hivi: kutokana na ujenzi wao (kioo au polima), FOS haithaminiwi kupita kiasi kwa urahisi kutokana na kufyonzwa kwa mwanga, na ina conductivity ya chini ya mafuta (glasi ya silicon ni insulation bora). Aidha, FOS inayolingana na MR inaweza kutumika katika programu motomoto zinazoongozwa na CT na MR. Sifa hizi hufanya teknolojia ya FOS kuvutia haswa kwa ufuatiliaji wa halijoto wakati wa michakato ya matibabu ya joto.

Kuna aina kadhaa za FOS, ambazo zinategemea kanuni tofauti za kazi na kwa kawaida zimegawanywa katika kategoria mbili za asili, na nyuzi za macho zinazounda vipengele vya kuhisi; Nje, fiber optic hutumiwa tu kama njia ya kupitisha mwanga kutoka na kutoka kwa vipengele au nafasi binafsi. Miongoni mwa idadi kubwa ya FOS, mbili tu hutumiwa sana kwa kipimo cha joto wakati wa michakato ya matibabu ya joto, yaani vihisi vya nyuzinyuzi vya Bragg (FBG) na sensorer za fluorescence. Mbali na vipengele vya thamani vilivyoorodheshwa, FBG pia inaweza kufanya kusambazwa, quasi kusambazwa, na vipimo vya pointi nyingi, kuruhusu kipimo cha joto katika pointi tofauti katika shirika kwa kuingiza kipengele kimoja cha ukubwa mdogo (kama vile kipengele cha macho). Fiber yenye kipenyo cha nje cha micrometers mia kadhaa.

Nakala hii inakagua teknolojia za hivi punde za FOS (hasa FBG na vihisi vya umeme) kutumika kwa ufuatiliaji wa joto katika matibabu ya joto. Katika makala yote, maelezo muhimu ya faida kuu na hasara za sensorer hizi mbili hutolewa, wakati wa kuzingatia matibabu tofauti ya joto. Kwa uwazi, bidhaa imegawanywa katika sehemu kuu mbili: sehemu ya kwanza inaeleza kanuni za kimsingi za kimwili za taratibu za joto zinazotumiwa zaidi na umuhimu wa ufuatiliaji wa hali ya joto wakati wa michakato hii ya usindikaji.; Katika sehemu ya pili, kanuni za kipimo, faida na hasara za FBG na sensorer fluorescence, pamoja na maombi yao katika nyanja ya maslahi, yanaelezwa. Sensorer za macho za nyuzi zinazotumika kwa halijoto ufuatiliaji katika michakato ya matibabu ya joto una faida muhimu katika utendaji, ukubwa (eneo la kuhisi na wiring), na uwezekano wa ujumuishaji ikilinganishwa na wenzao wa kielektroniki (kama vile mifumo ya microelectromechanical (MEMS)) kwa mujibu wa kanuni za kazi na sifa za metrological. Mbinu ya kipimo cha halijoto ya msingi wa umeme iliuzwa kwa mara ya kwanza 1978; Mifumo ya macho ya fluorescent daima imesaidia kipimo cha joto katika hyperthermia, hasa katika muongo uliopita. Hivi majuzi, maendeleo mapya katika vitambuzi vya FBG, hasa njia ya utengenezaji kulingana na minara ya kuchora waya, wamepunguza gharama na azimio la anga la vitambuzi vya FBG 0.5 kwa 2 sensorer/cm ndani ya nyuzinyuzi sawa za macho. Teknolojia zinazoibuka zinaruhusu “mnene zaidi” kuhisi, kupunguza azimio la anga hadi chini ya milimita: mifano miwili muhimu ni nyuzi Bragg gratings, ambayo huongeza kanuni ya FBG, na mifumo iliyosambazwa ya kuhisi kulingana na utambazaji wa urefu wa wimbi kwa uchambuzi wa kutawanya wa Rayleigh.

Mwongozo wa uendeshaji wa sensor ya msingi wa fluorescence.

Kanuni ya uendeshaji wa sensorer za msingi za fluorescence, pamoja na nyuzi za macho, inategemea kipimo cha maisha ya fluorescence. Hakukuwa na utafiti juu ya kipimo cha joto cha msingi wa fluorescence katika miaka ya 1990, wakati ambapo kanuni ya upunguzaji wa fluorescence katika vifaa vya fosforasi ilitumika katika nyuzi za macho..

Uchunguzi wa nje wa fluorescence unategemea kipimo cha muda wa kuoza kwa fluorescence, ambayo inachochewa na vifaa vya umeme kama vile rubi, zumaridi, th, au nyenzo kadhaa za nadra za ardhi. Mfumo wa kipimo cha joto cha kawaida kulingana na fluorescence ya nje inapendekezwa. Kwa kutumia mchoro wa mawimbi ya mraba uliopangwa ndani na kuunganishwa na chanzo cha mwanga ndani ya nyuzi za kawaida ili kusisimua fosforasi.; Uchunguzi ni eneo lililo na doped kwenye ncha ya nyuzinyuzi ya Cr 3+sapphire, imegawanywa katika nyuzi za quartz na kuingizwa kwenye shea ya alumina. Photodetectors za kasi ya juu hutumiwa kurekodi wakati wa kuoza wa vifaa vya fluorescent. Kwa kawaida, maadili ya joto hutolewa kutoka kwa pato la sensor kupitia hatua mbili: kusisimua kipengele cha kuhisi na mapigo ya mwanga; Baada ya msukumo huu, ishara ya fluorescence kuoza kwa kasi. Muda wa kudumu wa mwelekeo wa kielelezo hutegemea joto, kwa hivyo inaweza kuzingatiwa kama kipimo kisicho moja kwa moja cha joto. Kwa sababu ya uozo wa kielelezo kuwa mdogo kwa μ s chache. Vihisi lenzi za fluorescent kwa kawaida huwa na majibu ya haraka.

Aidha, nyenzo nyingi za nadra za ardhi zinaendana na shughuli kutoka kwa joto la kawaida hadi juu 200 °C, pamoja na shughuli hapa chini -40 °C. Nyenzo; Aina ya joto ya uendeshaji wa mfumo ni -100-290 °C, kwa usahihi wa 0.1 °C. Vipengele vya kuvutia vya mifumo ya msingi ya fluorescence ni pamoja na kasi ya kugundua, usahihi, na uwezekano wa kutumia uchunguzi wa fiber optic kama vitengo vinavyoweza kutumika, na kwa hivyo hataza kadhaa zimetengenezwa kwa kuchanganya kihisi joto kimoja au zaidi cha nyuzi macho katika uondoaji wa mafuta..
Kanuni ya kazi ya nyuzi Bragg grating (FBG).

Fiber Bragg grating (FBG) sensorer ndio njia inayotumika sana katika hisia za kisasa za fiber optic. FBG ni kichujio cha kuchagua chenye urefu wa mawimbi ambacho kinaweza kuonyesha mwonekano mwembamba karibu na kilele kimoja cha urefu wa mawimbi.; Wakati mabadiliko ya joto yanatumika kwa miundo ya FBG, wigo wa FBG hubadilika na karibu unyeti kamili wa mara kwa mara. Kwa hiyo, urefu wa wimbi unaolingana na thamani ya juu ya ukubwa wa taswira ya uakisi huitwa Bragg wavelength ( λ B) inaweza kutumika kukadiria joto. Kwa sababu ya mwonekano mwembamba wa FBG na uwazi wake kwa urefu wa mawimbi mengine yote, safu nyingi za FBG zinaweza kutumwa kwenye nyuzi moja, kila moja ikiwa na urefu tofauti wa kati, kwa hivyo kutumia mgawanyiko wa urefu wa wimbi (WDM). Katika usanidi huu, Mifumo ya msingi ya FBG imepata mwelekeo mpya wa hisia za matibabu, kwani huruhusu vihisi vidogo vidogo vingi kupangishwa kwenye nyuzinyuzi sawa za macho, kuongeza uwezo wa kuhisi. Gharama ya vitambuzi vya FBG ni takriban $35 au chini. Hata hivyo, mfumo unaotumika kuhoji sensorer ni ghali zaidi.

FBG ina unyeti wa mara kwa mara ndani ya safu ya kipimo inayohitajika kwa uondoaji wa joto (i.e. 30-100 °C), yenye thamani ya kawaida ya ~ 10 pm · ° C-1. Imechorwa kwenye optic ya nyuzinyuzi sawa na 5 Sensorer za FBG, yanafaa kwa utoaji wa RF; Kila FBG ina urefu bora wa 0.5 cm, uwezo wa kuhisi 1 FBG/cm, na umbali wa 1.8 nm kati ya kila urefu wa urefu wa kilele; Matokeo haya yanalingana na mojawapo ya mifano ya hivi punde zaidi ya hisia za FBG katika uondoaji wa mafuta. Majibu ya safu tano za FBG wakati wa michakato ya joto na kupoeza inavyoonyeshwa kwenye Kielelezo 4. Uwezekano wa kufanya WDM na kuunganisha sensorer nyingi kwenye nyuzi moja yenye msongamano mdogo ni faida kuu ya sensorer za FBG ikilinganishwa na sensorer za msingi za fluorescence.. Kwa kutumia mhoji ili kugundua mwonekano wa FBG na kutumia uchakataji baada ya usindikaji, joto la kila sensor inaweza kupatikana kwa usahihi wa 0.1 °C.
Pamoja na maendeleo mengi ya hivi karibuni katika teknolojia ya utengenezaji, teknolojia nyuma ya vitambuzi vya FBG inabadilika kwa kasi. Jambo la kukumbukwa zaidi ni kwamba ujumuishaji wa utengenezaji wa minara ya kuchora waya ya FBG unategemea viwanda vinavyoitwa gratings za mnara wa kuchora waya. (DTGs) ambayo huweka wazi nyuzi kwa mwanga wa UV kupitia vinyago vya awamu, kutoa faida muhimu za metrolojia dhidi ya mbinu za kitamaduni za utengenezaji wa FBG. DTG inaweza kutengenezwa kwa kuweka nafasi sahihi: inayolingana moja-kwa-moja na urefu wa wimbi la Bragg la kila kihisi kinachounda safu, na kando ya nafasi ya kijiometri ya fiber ya macho; Hii ni muhimu katika hyperthermia ili kutoa muundo wa kuaminika wa muundo wa joto. Kwa sababu ya ukweli kwamba mchakato wa utengenezaji wa DTG hauitaji kumenya na kupaka rangi tena tabaka za bafa ya nyuzi., kudumisha nguvu ya awali na unene, nguvu ya mitambo pia huongezeka. Aidha, DTG kwa kawaida hutengenezwa kwenye nyuzinyuzi zisizohisi. Kwa sasa, safu za kibiashara za DTG hufikia msongamano wa 1 FBG/cm kwenye nyuzi moja.

Teknolojia mpya ya utengenezaji wa FBG imeanzishwa hivi karibuni, ambayo hutumia laser ya femtosecond kwa kurekodi kwa uhakika. Teknolojia hii ina uwezo wa kuboresha uwezo wa kuhisi, kwani hivi karibuni inaweza kutengeneza FBG zinazoakisi sana zenye urefu wa<1mm kwa ufungaji wa safu mnene. Maombi kuu. Wakati wa LA, RFA, na hivi karibuni wakati wa MWA na kilio, FBG hutumiwa hasa kufuatilia joto la tishu.

Miongozo ya kazi ya FBG. FBG inajidhihirisha kama msururu wa FBG unaoendelea, huku kila FBG ikiwa na urefu tofauti wa kilele. Usanidi unaovutia zaidi ni FBG ya mstari (LCFBG), ambapo urefu wa wimbi la Bragg hutofautiana kwa mstari katika nafasi.

Urefu wa utengenezaji wa FBG ni 1.5 sentimita kwa 5 sentimita, na anuwai ya bandwidth ni 5 nanometers kwa 50 nanometers. Kutoka kwa mtazamo wa metrology, LCFBG inajidhihirisha kama mfululizo wa vitambuzi; Wigo wake unatoka kwa hali nzima ya joto ya sensorer zote. Utumiaji wa LCFBG katika upimaji wa halijoto ya azimio la anga bado uko katika hatua ya mapema. Kwa kutumia LCFBG badala ya safu za kawaida za FBG, azimio la anga limepungua hadi chini ya 1mm, na huzuiliwa zaidi na uwezo wa mfumo wa kusimbua kuchanganua mifumo ya halijoto kutoka kwa wigo wa LCFBG.. Wigo wa kuakisi nyuma kutoka kwa FBG unaweza kurekodiwa na mhoji sawa anayetumiwa kwa FBG sare., lakini programu iliyobinafsishwa inaweza kutengenezwa ili kusimbua ishara na kukadiria halijoto, kwani kwa sasa hakuna programu inayopatikana kibiashara.

Maombi kuu. FBG inazidi kuwa maarufu katika nyanja ya ufuatiliaji wa joto la tishu katika programu za hivi majuzi za joto, hasa RFA. Onyesha azimio la anga la 75 mikroni kwa urefu wa 1.5 sentimita. Hata hivyo, mbinu za kusimbua hutumiwa hasa kwa hali ya joto ya monotoni. Utafiti wa sasa unanuia kutengeneza algoriti za usimbaji haraka kwa halijoto zisizo za monotoni, kama vile zile zinazopatikana kwa kawaida katika utoaji wa mafuta.

Kanuni ya kazi ya Rayleigh kutawanya hisia kusambazwa.

Kihisi cha Halijoto Kilichosambazwa (DTS) inachukua mbinu tofauti na teknolojia ya awali, kwani hutumia nyuzi za kawaida za macho kama vitambuzi; Kusimbua ni mchakato unaofanywa katika kikoa cha saa au masafa kwa kupima muundo wa nyuma wa Rayleigh,. Kwa sasa, chombo cha kiwango cha dhahabu cha DTS kinachotumiwa kwa kipimo cha mafuta cha azimio mnene la anga kinatokana na kanuni ya uendeshaji ya skanning interferometry ya urefu wa mawimbi.. Mfumo huu wa DTS una uwezo wa kurekodi sifa za mtawanyiko wa Rayleigh za nyuzinyuzi zinazohisi chanzo na kuzichanganua kwa usahihi wa anga za millimita ndogo.. Sensorer hizi zilitengenezwa kwa kutumia nyuzi za kawaida za hali moja (kwa gharama kidogo), lakini zinahitaji wadadisi wa gharama kubwa kuchambua na kurekodi ishara.

Utendaji hutegemea biashara ya karibu kati ya azimio la anga, usahihi, urefu wa ufanisi, na wakati wa sampuli. Imefikia azimio la anga la 200 mikroni na usahihi wa takriban 0.5 °C, na kiwango cha kipimo cha 1 Hz. Kutokana na matumizi ya nyuzi za kawaida za macho katika mfumo, hakuna haja ya kutengeneza muundo wowote, kwa hivyo vifaa vya uchunguzi vya gharama ya chini vinaweza kutengenezwa; Kwa upande mwingine, gharama ya mhojiwa ni angalau mpangilio mmoja wa ukubwa wa juu kuliko mifumo mingine ya kutambua nyuzi na vifaa vya uondoaji hewa.. Rayleigh kutawanyika kuhisi kusambazwa mifumo imepitishwa katika matukio ya matibabu, ingawa ni suluhu za kuahidi kwa kipimo cha joto kilichosambazwa au kipimo cha upinde wa joto.