一、背景介紹
光熱治療是繼手術(shù)、放療、化療之后興起的一種新型微創(chuàng)抗癌技術(shù)，其基本原理是：將具有光熱轉(zhuǎn)換功能的介質(zhì)注入人體，并運(yùn)用靶向識(shí)別技術(shù)將其聚集在腫瘤附近，再通過(guò)激光照射將光能轉(zhuǎn)化為熱能，利用癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的溫度耐受極限的差異從而殺死癌細(xì)胞。
作為一種非侵入式、靶向性的新型腫瘤治療技術(shù)，光熱治療技術(shù)因其治療效率高、副作用小、病患痛苦小等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于腫瘤治療中。但現(xiàn)有的光熱治療技術(shù)缺少對(duì)靶區(qū)溫度分布情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，開(kāi)環(huán)的治療激光控制方式在增大治療難度和病患痛苦的同時(shí)，也會(huì)對(duì)病患病灶周邊正常組織造成不可逆損傷。因此，對(duì)于靶區(qū)溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)及精準(zhǔn)調(diào)控是光熱治療過(guò)程中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。
二、創(chuàng)新研究
哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫明健副教授課題組提出了一種可應(yīng)用于光熱治療領(lǐng)域的靶區(qū)溫度精準(zhǔn)檢測(cè)與控制方法，并搭建了一套基于光聲溫度閉環(huán)調(diào)控的新型光熱治療系統(tǒng)，分析論證了該方法可作為一種更為精準(zhǔn)、高效的輔助手段應(yīng)用于光熱治療領(lǐng)域。
首先，在光聲成像及光聲測(cè)溫技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于光聲圖像的溫度重建算法及基于光聲溫度敏感因子的靶區(qū)溫度閉環(huán)控制算法。通過(guò)定量分析光聲圖像中像素值與組織的線(xiàn)性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了靶區(qū)溫度非接觸式、實(shí)時(shí)、高精度溫度成像。結(jié)合實(shí)時(shí)光聲/超聲多模態(tài)成像，為光熱治療提供更豐富、精確的組織光學(xué)、結(jié)構(gòu)及溫度信息。
課題組提出了光聲溫度敏感因子的概念，并設(shè)計(jì)了基于光聲溫度敏感因子的閉環(huán)溫度控制算法，實(shí)現(xiàn)了靶區(qū)高速、高精度溫度控制，提高了光熱治療過(guò)程的可操作性和安全性。
搭建的基于光聲溫度精準(zhǔn)調(diào)控的新型光熱治療系統(tǒng)如圖1所示。分別利用超短脈沖激光器(532nm，探測(cè)激光)及連續(xù)型激光器(808nm)輸出脈沖與連續(xù)激光，實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域光聲信號(hào)的激發(fā)以及加熱，通過(guò)成像算法將光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成光聲圖像，來(lái)尋求光聲圖像強(qiáng)度值與感興趣區(qū)域溫度的關(guān)系。最終，通過(guò)調(diào)節(jié)連續(xù)型激光器的輸出功率，使感興趣區(qū)域溫度穩(wěn)定保持在設(shè)定溫度水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光熱治療效果。
圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
基于光聲溫度敏感因子的閉環(huán)溫度控制算法進(jìn)行靶區(qū)溫度控制的溫度曲線(xiàn)如圖2所示，仿體組織溫度在10s內(nèi)即可跟隨期望溫度并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，進(jìn)一步計(jì)算可得，溫度跟隨均方根誤差為0.7 ℃。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光熱治療系統(tǒng)具備較好的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，為腫瘤光熱治療提供了重要的技術(shù)手段。
圖2 人體組織仿體溫度圖
三、總結(jié)與展望
與傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)式光熱治療方法相比，基于光聲溫度精準(zhǔn)調(diào)控的光熱治療方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)離體組織的非接觸溫度實(shí)時(shí)成像，以及對(duì)組織溫度的快速、準(zhǔn)確調(diào)控，并避免光熱治療過(guò)程中導(dǎo)致的組織碳化等一系列問(wèn)題，可減少病患治療痛苦、簡(jiǎn)化醫(yī)生工作。
在后續(xù)的研究中，我們將進(jìn)一步簡(jiǎn)化校準(zhǔn)工作流程、提高校準(zhǔn)精度，設(shè)計(jì)自整定控制算法以減少控制器參數(shù)整定帶來(lái)的控制不確定性和臨床操作流程的繁瑣性，整體提高系統(tǒng)的溫度測(cè)量和控制精度。
參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)
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