Design and validation of a fiber optic sensors-based experimental setup for temperature monitoring in laser-induced thermal therapy

The objective of this work is the design and validation of a fiber optic sensors-based experimental setup in order to perform temperature monitoring during laser thermal therapy. In the contest of tissue thermal therapy, the advantage of the laser compared with other approaches of energy delivery is the great precision of laser-induced tissue necrosis, the lower physical impact, pain, trauma, and a reduction in the overall intervention cost and recovery time. Because of its high collimation, the laser beam concentrates all the energy in a small target, thus generating high thermal gradients. A temperature measurement system able to detect this gradient is needed to reconstruct the actual temperature distribution. The work is divided in four parts. In the first part an introduction to laser-tissue interactions is provided, and the possible thermal effects are listed, with main focus on the temperature ranges associated to each effect. This part is then further developed by introducing the concept of Laser Thermal Therapy, and the characteristics of its process, focusing on the main laser settings affecting the final results, and on the importance of controlling tissue temperature. The second part represents the state of art of this work. A review of the components used in past experiments is presented, with particular focus on experimental setup used in laser thermal therapy of ex vivo porcine pancreatic tissue. The main elements are the laser system (source and delivery system) and the temperature monitoring system, generally composed by the sensing instruments and by auxiliary structures (placement box, needles), which allow the correct placement of the treated sample and sensing elements. A depth analysis of the available temperature monitoring systems is then conducted, with particular focus on fiber optic sensors. In the third chapter the working principles of Fiber Bragg Gratings sensors (quasi-distributed sensors) and distributed sensors are explained, describing the theory behind their sensing function and the related interrogation methods and instruments. The third part of this work aims at the definition of the experimental setup and the temperature monitoring system. It starts with the description of the sensing elements investigated in this study: three fiber Bragg grating sensors, 25-FBGs array, 10-FBGs array and 40-FBGs array, whose signal is acquired by means of Micron Optics HYPERION si255, and two distributed sensors, a Corning SMF-28 and a High Definition Fiber Optic Sensor (HD-FOS), whose signal is acquired by LUNA ODiSI-B system. Thus, the sensors' calibration method and results are explained. In chapter 4, all the components selected and designed to compose the new experimental setup are listed and described. In particular, a plexiglass box, intended to contain the treated tissue, has been accurately designed and machined in order to ensure the correct placement of the sensors inside the sample; this box allows to place until 64 fiber optic sensors, at 2 ÷ 12 mm range of distance from laser tip. The last part of this study is focused on assessing the influence of fiber optic sensors spatial resolution on the accuracy of temperature distribution measured during laser ablation treatment. Quasi-distributed FBG sensing and distributed sensing performed with OFDR based on Rayleigh scattering are evaluated and compared. The most resolute fiber Bragg grating (25-FBGs array, 1 mm resolution) sensor is used during laser irradiation, providing reference temperature distribution which is compared to the ones obtained from the investigated sensors (10-FBGs array sensor, Corning SMF-28 sensor and Luna HD-FOS). Two different element lengths, defined as Gage Length (GL) are used for the acquisition of the signal provided by the distributed sensors. The comparison is performed in terms of Root Mean Squared Error (RMSE) between the distributions, and Peak Difference (PD), intended as the difference between their temperature peaks. An evaluation of the noise characterizing the sensors signal is also computed. These analyses are developed at three levels: i) mono-dimensional temperature reconstruction is performed under superficial contact-less laser irradiation of three fiber optic sensors overlapped and placed on an agarose phantom flat surface; ii) bi-dimensional temperature reconstruction is performed under contact-less laser irradiation of 5 triplets of overlapped sensors, placed at 2 mm of distance on an agarose flat surface; iii) three-dimensional temperature reconstruction is performed, using contact laser irradiation, with laser tip and fiber optic sensors placed inside the treated tissue. 16 FBGs sensors are used, with 4 pairs of overlapped 25-FBGs array and 10-FBGs array sensors placed very close to the laser tip (2 mm), in order to perform a comparison in the points of largest thermal gradient. Other 8 arrays of 40-FBGs are placed at larger distance, and used just for 3D map reconstruction. An agarose phantom is first used for the experiment, and then the same procedure is applied on porcine pancreatic tissue. All the temperature reconstructions are performed by means of linear interpolations and spatial alignment between the sensors. Gaussian fitting is also used in 2D mapping, but the related results are strongly affected by the boundary conditions applied to the function. The results of this study highlights that LUNA ODiSI-B using Corning SMF-28® set at 5.2 mm GL, is not able to provide an accurate temperature reconstruction, achieving values of RMSE > 7 °C and PD > 16 °C in 1D analysis, and RMSE > 20 °C in 2D analysis when the maximum increase of temperature is ~29 °C. By setting GL=1.3 mm temperature reconstruction is not possible because SNR ~1 is caused by the large temperature gradient. Better performance can be obtained with LUNA ODiSI-B using HD-FOS with GL set to 1.3 mm, with RMSE < 2.1 °C and PD < 4.1 °C at ΔTmax ~30 °C, having SNRmax ~30 dB. The 10-FBGs array shows the best performances in 1D and 2D analyses, with RMSE < 1.1 °C, PD < 3.3 °C, and SNRmax ~50 dB. These results proved that any improvement of spatial resolution for HD-FOS determines an increase of noise in the signal. These sensors are effective when agar gel or ex vivo pancreas undergone laser ablation and temperature measured does not overcome 30 °C and 40 °C for agar and pancreatic tissue, respectively, but better performances could be required when larger temperature should be reached. A final consideration could be done about the limited use of Luna Technology in 3D temperature map reconstruction, related to the possibility to connect only one sensors at time to the LUNA interrogator, thus reducing the capacity to detect large number of temperature points in a volume, necessary to get an accurate 3D reconstruction. On the contrary, multiplexing capability assured by FBG technology allows a real-time measurement with 16 fiber optic sensors at the same time, leading to accurate temperature reconstruction also in 3D measurements.

L'obiettivo di questo lavoro è la progettazione e validazione di un setup sperimentale che utilizza sensori in fibra ottica per il monitoraggio della temperatura durante l'esecuzione di trattamenti termici con fascio laser. Rispetto alle altre forme di energia il laser presenta un'elevata precisione nell'induzione della necrosi tissutale, un minore impatto fisico, dolore e trauma, e un costo e tempo di recupero ridotti. L'elevata collimazione del fascio permette di concentrare una gran quantità di energia in un piccolo target, generando un elevato gradiente termico. Per poter ricostruire la distribuzione di temperatura effettiva è necessario avere un sistema di misura capace di rilevare questo gradiente. Questo lavoro si divide in quattro parti. Nella prima parte è fornita un'introduzione alle interazioni laser-tessuto, ed i possibili effetti termici, focalizzandosi sugli intervalli di temperatura che determinano ciascun effetto. Viene poi introdotto il concetto di Laser Thermal Therapy (LTT) e le caratteristiche del processo, ponendo particolare attenzione sui parametri d'impostazione del laser che determinano il risultato finale del trattamento, e sull'importanza del controllo della temperatura del tessuto. La seconda parte rappresenta lo stato dell'arte di questo studio. Vengono presentati i componenti utilizzati nei setup sperimentali precedenti, specialmente nei casi di trattamenti termici ex vivo eseguiti su tessuto pancreatico suino. Gli elementi principali sono il laser (sorgente e sistema di trasporto) e il sistema di monitoraggio della temperatura, che in genere è composto dagli strumenti di misura e da strutture ausiliarie (scatola di posizionamento, aghi) che permettono il posizionamento del tessuto trattato e dei sensori. Viene poi eseguita un'analisi approfondita dei sistemi di monitoraggio della temperatura disponibili, focalizzandosi sui sensori in fibra ottica. Nel terzo capitolo sono presentati i principi di funzionamento dei sensori Fiber Bragg Grating (sensori quasi-distribuiti) e dei sensori distribuiti, descrivendone la teoria basilare e i relativi strumenti e metodi di interrogazione. La terza parte di questo lavoro punta alla definizione del nuovo setup sperimentale e del sistema di monitoraggio della temperatura. Si parte dalla descrizione dei sensori analizzati in questo studio: 3 sensori Fiber Bragg Grating, composti rispettivamente da 25, 10 e 40 reticoli di Bragg, il cui segnale è acquisito tramite il sistema Micron Optics HYPERION si255, e due sensori distribuiti, un Corning SMF-28 ed un High Definition Fiber Optic Sensor (HD-FOS), il cui segnale è acquisito tramite il sistema LUNA ODiSI-B. Successivamente viene illustrato il metodo di calibrazione dei sensori con i relativi risultati. Nel Capitolo 4 tutti i componenti selezionati e progettati per il nuovo setup sperimentale vengono elencati e descritti. In particolare una scatola in plexiglass è stata accuratamente progettata e lavorata in modo da consentire il corretto posizionamento dei sensori all'interno del tessuto; questa scatola consente di posizionare fino a 64 sensori, in un range 2 ÷ 12 mm di distanza dalla punta del laser. L'ultima parte di questo studio si focalizza sulla valutazione dell'influenza della risoluzione spaziale dei sensori sull'accuratezza di ricostruzione della distribuzione di temperatura, ottenuta durante trattamenti di ablazione laser. Sono valutate e confrontate le prestazioni dei sensori quasi distribuiti, FBG, e di quelli distribuiti, per i quali viene utilizzata la tecnologia OFDR basata sulla diffusione Rayleigh della luce. Il sensore FBGs con la risoluzione migliore (serie di 25 FBGs, con risoluzione spaziale di 1 mm) viene utilizzato come riferimento durante l'irradiazione, e la distribuzione di temperatura da esso fornita viene confrontata con quelle ottenute tramite gli altri sensori in esame (un sensore da 10 FBGs, un Corning SMF-28 e un Luna HD-FOS). Nel caso dei sensori distribuiti vengono utilizzati due valori per il parametro Gage Length (GL) durante l'acquisizione del segnale. Il confronto viene poi eseguito in termini di Root Mean Square Error (RMSE) tra le distribuzioni, e di Differenza di Picco (PD), con cui s'intende la differenza tra i picchi di temperatura misurati. Viene anche eseguita una valutazione del rapporto segnale-rumore (SNR) che caratterizza ciascun sensore. L'analisi si sviluppa su tre livelli: i) ricostruzione della distribuzione monodimensionale di temperatura, ottenuta in seguito ad irradiazione senza contatto di tre sensori in fibra ottica sovrapposti e posizionati sulla superficie piana di un fantoccio in agarosio; ii) ricostruzione della distribuzione bidimensionale di temperatura, ottenuta in seguito ad irradiazione senza contatto di 5 triplette di sensori in fibra ottica sovrapposti e posizionati sulla superficie piana di un fantoccio in agarosio, a 2 mm di distanza fra loro; iii) ricostruzione della distribuzione tridimensionale di temperatura, ottenuta in seguito ad irradiazione a contatto, in cui la punta del laser e i sensori in fibra ottica sono posizionati all'interno del tessuto trattato. Vengono utilizzati 16 sensori FBGs, di cui 4 paia di sensori composti da 25 e da 10 FBGs sono sovrapposti e posizionati nei pressi della punta del laser (2 mm), in modo da poter eseguire un confronto nel punto in cui il gradiente termico risulta più elevato. Altri 8 sensori composti da 40 FBGs sono posizionati a maggiore distanza e utilizzati solo per la ricostruzione 3D. Per il primo gruppo di esperimenti viene utilizzato un fantoccio in agarosio, mentre un campione di tessuto pancreatico suino viene utilizzato in un secondo gruppo. Tutte le ricostruzioni di temperatura sono eseguite tramite interpolazione lineare e allineamento spaziale tra i sensori. Anche un fitting Gaussiano viene utilizzato nella mappatura 2D, ma i risultati sono fortemente influenzati dalle condizioni al contorno applicate alla funzione. I risultati di questo studio evidenziano che il sistema LUNA ODiSI-B utilizzato con sensore Corning SMF-28® impostando 5.2 mm di GL, non è capace di fornire una ricostruzione accurata della temperatura, ottenendo valori di RMSE > 7 °C e PD > 16 °C nell'analisi 1D, e RMSE > 20 °C nell'analisi 2D, quando l'incremento massimo di temperatura è ~29 °C. Impostando GL=1.3 mm non è possibile eseguire una ricostruzione perché SNR ~1 a causa dell'elevato gradiente di temperatura. Prestazioni migliori si possono ottenere con il sistema LUNA ODiSI-B utilizzando un sensore HD-FOS con GL di 1.3 mm, ottenendo RMSE < 2.1 °C e PD < 4.1 °C per ΔTmax ~30 °C, e SNRmax ~30 dB. Il sensore composto da 10 FBGs mostra in assoluto le prestazioni migliori nelle analisi 1D e 2D, con valori di RMSE < 1.1 °C, PD < 3.3 °C, e SNRmax ~50 dB. Questi risultati dimostrano che per il sensore HD-FOS il miglioramento della risoluzione spaziale determina un aumento di rumore nel segnale ottenuto. Questi sensori sono efficaci quando l'ablazione laser è eseguita su agarosio e su pancreas ex vivo e la temperatura misurata non supera i 30 °C e 40 °C rispettivamente, ma prestazioni migliori sono richieste quando devono essere raggiunte temperature superiori. Ultima considerazione riguarda l'uso limitato del sistema Luna nella ricostruzione 3D di temperatura, dovuto alla possibilità di connettere un solo sensore alla volta , non consentendo così di acquisire un numero elevato di punti di misura necessari per una ricostruzione accurata. Al contrario, la caratteristica multiplexing della tecnologia FBG consente di eseguire misure in tempo reale collegando fino a 16 sensori contemporaneamente, e ottenendo accurate ricostruzioni di temperatura anche nel caso 3D.