光﹒声﹒温的协奏曲——一种基于光声温度精准调控的光热治疗技术

撰稿人: 孙明健 马一鸣 秦泽政 高源远

封面文章|马一鸣,马立勇,秦泽政,孙明健. 基于光声温度精准调控的光热治疗方法[J]. 中国激光, 2020, 47(10): 1007001

一、背景介绍

光热治疗是继手术、放疗、化疗之后兴起的一种新型微创抗癌技术,其基本原理是:将具有光热转换功能的介质注入人体,并运用靶向识别技术将其聚集在肿瘤附近,再通过激光照射将光能转化为热能,利用癌细胞和正常细胞的温度耐受极限的差异从而杀死癌细胞。

作为一种非侵入式、靶向性的新型肿瘤治疗技术,光热治疗技术因其治疗效率高、副作用小、病患痛苦小等优点已被广泛应用于肿瘤治疗中。但现有的光热治疗技术缺少对靶区温度分布情况的实时监测,开环的治疗激光控制方式在增大治疗难度和病患痛苦的同时,也会对病患病灶周边正常组织造成不可逆损伤。因此,对于靶区温度实时检测及精准调控是光热治疗过程中急需解决的关键技术难题。

二、创新研究

哈尔滨工业大学孙明健副教授课题组提出了一种可应用于光热治疗领域的靶区温度精准检测与控制方法,并搭建了一套基于光声温度闭环调控的新型光热治疗系统,分析论证了该方法可作为一种更为精准、高效的辅助手段应用于光热治疗领域。

首先,在光声成像及光声测温技术的基础上,提出了基于光声图像的温度重建算法及基于光声温度敏感因子的靶区温度闭环控制算法。通过定量分析光声图像中像素值与组织的线性关系,实现了靶区温度非接触式、实时、高精度温度成像。结合实时光声/超声多模态成像,为光热治疗提供更丰富、精确的组织光学、结构及温度信息。

课题组提出了光声温度敏感因子的概念,并设计了基于光声温度敏感因子的闭环温度控制算法,实现了靶区高速、高精度温度控制,提高了光热治疗过程的可操作性和安全性。

搭建的基于光声温度精准调控的新型光热治疗系统如图1所示。分别利用超短脉冲激光器(532nm,探测激光)及连续型激光器(808nm)输出脉冲与连续激光,实现感兴趣区域光声信号的激发以及加热,通过成像算法将光声信号转换成光声图像,来寻求光声图像强度值与感兴趣区域温度的关系。最终,通过调节连续型激光器的输出功率,使感兴趣区域温度稳定保持在设定温度水平,进而实现稳定的光热治疗效果。

图1 实验系统结构图

基于光声温度敏感因子的闭环温度控制算法进行靶区温度控制的温度曲线如图2所示,仿体组织温度在10s内即可跟随期望温度并进入稳态,进一步计算可得,温度跟随均方根误差为0.7 ℃。该实验结果表明,光热治疗系统具备较好的暂态和稳态性能,为肿瘤光热治疗提供了重要的技术手段。

图2 人体组织仿体温度图

三、总结与展望

与传统的开环式光热治疗方法相比,基于光声温度精准调控的光热治疗方法可以实现对离体组织的非接触温度实时成像,以及对组织温度的快速、准确调控,并避免光热治疗过程中导致的组织碳化等一系列问题,可减少病患治疗痛苦、简化医生工作。

在后续的研究中,我们将进一步简化校准工作流程、提高校准精度,设计自整定控制算法以减少控制器参数整定带来的控制不确定性和临床操作流程的繁琐性,整体提高系统的温度测量和控制精度。

本文研究受国家重点研发计划《基于光声温度测量的新型光热治疗方法的合作研究》支持。

 

课题组介绍:

哈尔滨工业大学(威海)检测与控制研究中心成立于2005年,团队紧密围绕超声/光声成像及其生物医学应用这一研究主线,先后在数字化超声成像、手持式光声成像、环阵式光声成像、内窥式光声成像以及光声显微成像等领域开展了一系列前沿生物医学应用研究,并开发了多项关键技术和成像系统。包括国家重点研发计划项目3项、国家自然科学基金8项,省部级基金10余项。发表国内外重要期刊会议论文100余篇;申请国家发明专利100余项,授权40余项。申请国际标准1项,国家标准2项,行业标准1项。