一種基于光聲溫度精準調控的光熱治療技術

　　一、背景介紹

　　光熱治療是繼手術、放療、化療之后興起的一種新型微創抗癌技術，其基本原理是：將具有光熱轉換功能的介質注入人體，并運用靶向識別技術將其聚集在腫瘤附近，再通過激光照射將光能轉化為熱能，利用癌細胞和正常細胞的溫度耐受極限的差異從而殺死癌細胞。

　　作為一種非侵入式、靶向性的新型腫瘤治療技術，光熱治療技術因其治療效率高、副作用小、病患痛苦小等優點已被廣泛應用于腫瘤治療中。但現有的光熱治療技術缺少對靶區溫度分布情況的實時監測，開環的治療激光控制方式在增大治療難度和病患痛苦的同時，也會對病患病灶周邊正常組織造成不可逆損傷。因此，對于靶區溫度實時檢測及精準調控是光熱治療過程中急需解決的關鍵技術難題。

　　二、創新研究

　　哈爾濱工業大學孫明健副教授課題組提出了一種可應用于光熱治療領域的靶區溫度精準檢測與控制方法，并搭建了一套基于光聲溫度閉環調控的新型光熱治療系統，分析論證了該方法可作為一種更為精準、高效的輔助手段應用于光熱治療領域。

　　首先，在光聲成像及光聲測溫技術的基礎上，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溫度閉環控制算法。通過定量分析光聲圖像中像素值與組織的線性關系，實現了靶區溫度非接觸式、實時、高精度溫度成像。結合實時光聲/超聲多模態成像，為光熱治療提供更豐富、精確的組織光學、結構及溫度信息。

　　課題組提出了光聲溫度敏感因子的概念，并設計了基于光聲溫度敏感因子的閉環溫度控制算法，實現了靶區高速、高精度溫度控制，提高了光熱治療過程的可操作性和安全性。

　　搭建的基于光聲溫度精準調控的新型光熱治療系統如圖1所示。分別利用超短脈沖激光器(532nm，探測激光)及連續型激光器(808nm)輸出脈沖與連續激光，實現感興趣區域光聲信號的激發以及加熱，通過成像算法將光聲信號轉換成光聲圖像，來尋求光聲圖像強度值與感興趣區域溫度的關系。最終，通過調節連續型激光器的輸出功率，使感興趣區域溫度穩定保持在設定溫度水平，進而實現穩定的光熱治療效果。

　　圖1 實驗系統結構圖

　　基于光聲溫度敏感因子的閉環溫度控制算法進行靶區溫度控制的溫度曲線如圖2所示，仿體組織溫度在10s內即可跟隨期望溫度并進入穩態，進一步計算可得，溫度跟隨均方根誤差為0.7 ℃。該實驗結果表明，光熱治療系統具備較好的暫態和穩態性能，為腫瘤光熱治療提供了重要的技術手段。

　　圖2 人體組織仿體溫度圖

　　三、總結與展望

　　與傳統的開環式光熱治療方法相比，基于光聲溫度精準調控的光熱治療方法可以實現對離體組織的非接觸溫度實時成像，以及對組織溫度的快速、準確調控，并避免光熱治療過程中導致的組織碳化等一系列問題，可減少病患治療痛苦、簡化醫生工作。

　　在后續的研究中，我們將進一步簡化校準工作流程、提高校準精度，設計自整定控制算法以減少控制器參數整定帶來的控制不確定性和臨床操作流程的繁瑣性，整體提高系統的溫度測量和控制精度。

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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