Fiber-optic sensors for monitoring laser ablation thermal outcome in biological tissues

Laser ablation (LA) is one of the tumor treatment techniques that can provide minimally invasive treatment in cases when conventional methods (surgical resection, chemotherapy, radiotherapy) are not recommended. The main principle of LA is based on the delivery of laser energy via a fiber optic cable to the tumor in order to induce local coagulation, necrosis, and apoptosis of cancer tissues. The main advantage of LA is based on two unique features that stem from the use of minimally-invasive fiber optic cable: immunity to electro-magnetic interference and flexibility of the applicator. Thus, the treatment can be used during magnetic-resonance and computed tomography imaging, and can reach deep-laying organs. Nevertheless, LA cancer treatment is still limited due to the difficulty to guarantee complete destruction of the tumor and prevent collateral damage to the healthy tissues. The main reasons for it are the lack of accurate monitoring techniques and the use of an open-loop approach, i.e., laser parameters are set before the procedure. In this regard, my Ph.D. project is focused on investigation and development in the two main areas: (i) real-time temperature-based control techniques for extra- and intra-corporeal LA; and (ii) innovative fiber optics sensing methods to measure intra-tissue parameters (temperature, refractive index) during LA procedure. For temperature-based LA control, FBG sensors were utilized in the development of different LA control techniques: (a) ON-OFF control for extracorporeal LA; (b) ON-OFF control for interstitial LA; and (c) proportional–integral–derivative (PID) control for interstitial LA. In addition, a pre-planning based on numerical simulations of the bioheat transfer has been developed to optimize the control parameters before the actual procedure. Moreover, the custom-made FBG sensors have been fabricated using point-by-point femtosecond laser inscription and optimized for LA procedures. In general, the obtained results that LA control allows controlling the margins of the ablated region, and, as a result, minimizes the damage to the surrounding healthy tissues. The novelty of the developed intraoperative platforms compared to currently available systems is that they also allow for quasi-distributed measurement of tissue temperature in two- and three-dimensional configurations, while retaining the minimally invasive nature of the procedure. Regarding the innovative sensing methods for LA monitoring, the main investigated sensor was titled FBG (TFBG), a particular type of FBG with tilted FBG planes that allow coupling between the core and cladding modes. As a result, TFBG is sensitive to temperature, axial strain, pressure (as standard FBG), and also to outside medium parameters, such as surrounding refractive index (RI). In this regard, the experimental investigation of the increase of RI sensitivity by fiber etching has been performed. Analysis of step-wise etching and calibration in different RI solutions have provided the best trade-off between wavelength and amplitude sensitivity, intensity level, and fiber thickness. In addition, TFBG sensing modalities during LA of ex-vivo hepatic tissues have been investigated. The first modality is a measurement of the RI changes of the ablated tissue during LA. The second one – is the temperature sensing modality based on the core mode analysis using conventional peak tracking techniques (maximum tracking, X-dB Bandwidth, centroid methods) and the developed reconstruction algorithm. The developed algorithm allows the measurement of quasi-distributed spatial temperature profile along TFBG. In general, the results show that the main reliable sensing modality of TFBG during LA is temperature monitoring, which can be significantly improved by the proposed algorithm. Future works should involve tumor tissues in ex vivo and in vivo experiments to assess the efficacy of the proposed methods and continue the investigations toward the clinical use of the discussed techniques. This work was supported by the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under Grant Agreement 759159.

L'ablazione laser (LA) è una delle tecniche di trattamento di tumori localizzati che può fornire un trattamento minimamente invasivo nei casi in cui i metodi convenzionali (resezione chirurgica, chemioterapia, radioterapia) non sono raccomandati. Il principio principale della LA si basa sull'erogazione di energia laser al tumore attraverso una fibra ottica, per indurre la coagulazione locale, la necrosi e l'apoptosi dei tessuti cancerosi. Il vantaggio principale della LA si basa su due caratteristiche uniche che derivano dall'uso di un sottile applicatore in fibra ottica: l'immunità alle interferenze elettromagnetiche e la flessibilità dell'applicatore stesso. Pertanto, il trattamento può essere utilizzato durante la risonanza magnetica e la tomografia computerizzata e può raggiungere gli organi in profondità. Tuttavia, il trattamento del cancro con LA è ancora limitato a causa della difficoltà di garantire la completa distruzione del tumore e di evitare danni collaterali ai tessuti sani. Le ragioni principali sono la mancanza di tecniche di monitoraggio accurate e l'uso di un approccio open-loop, in cui i parametri del laser vengono impostati prima della procedura e non modificati durante il trattamento. A questo proposito, il mio progetto di dottorato è incentrato sull'indagine e lo sviluppo di due aree principali: (i) tecniche di controllo in tempo reale basate sulla temperatura tissutale ottenuta durante LA, in approcci extra- e intracorporei; e (ii) metodi innovativi di misura di parametri intra-tessutali (temperatura, indice di rifrazione) durante la procedura di LA, impiegando sensori in fibra ottica. Per il controllo della LA basato sulla temperatura tissutale, i sensori FBG sono stati utilizzati nello sviluppo di diverse tecniche di controllo della LA: (a) controllo ON-OFF per la LA extracorporea; (b) controllo ON-OFF per la LA interstiziale; (c) controllo proporzionale-integrale-derivativo (PID) per la LA interstiziale. Inoltre, è stata sviluppata una pre-pianificazione basata su simulazioni numeriche del trasferimento di calore nei tessuti biologici per ottimizzare i parametri di controllo prima della procedura effettiva. Inoltre, i sensori FBG personalizzati sono stati fabbricati utilizzando l'iscrizione laser a femtosecondi punto per punto e ottimizzati per le procedure di LA. In generale, i risultati ottenuti indicano che il controllo della LA consente di controllare i margini della regione trattata e, di conseguenza, di ridurre al minimo i danni ai tessuti sani circostanti. Le piattaforme di monitoraggio intraoperatorio sviluppate rappresentano una novità rispetto ai sistemi di misura attualmente disponibili, in quanto consentono di ottenere anche una misura quasi-distribuita della temperatura tissutale con dei sensori in configurazione bi- e tri-dimensionale, pur conservando la mini-invasività della procedura. Per quanto riguarda i metodi di rilevamento innovativi per il monitoraggio del LA, il principale sensore studiato è stato il TFBG, un tipo particolare di FBG con piani FBG inclinati che consentono l'accoppiamento tra i modi del nucleo e del rivestimento. Di conseguenza, il TFBG è sensibile alla temperatura, alla deformazione assiale, alla pressione (come gli FBG standard) e anche ai parametri del mezzo esterno, come l'indice di rifrazione (RI) circostante. A questo proposito, è stata condotta un'indagine sperimentale sull'aumento della sensibilità all'RI mediante incisione della fibra. L'analisi dell'incisione graduale e la calibrazione in diverse soluzioni di RI hanno fornito il miglior compromesso tra la sensibilità alla lunghezza d'onda e all'ampiezza, il livello di intensità e lo spessore della fibra. Inoltre, sono state studiate le modalità di rilevamento TFBG durante il LA di tessuti epatici ex vivo. La prima modalità riguarda la misurazione delle variazioni di RI del tessuto oggetto di trattamento durante la LA. La seconda presenta il rilevamento della temperatura basata sull'analisi del modo core utilizzando tecniche convenzionali di tracciamento dei picchi (tracciamento massimo, larghezza di banda X-dB, metodi del centroide) e l'algoritmo di ricostruzione sviluppato. L'algoritmo sviluppato consente di misurare un profilo di temperatura spaziale quasi distribuito lungo la TFBG. In generale, i risultati mostrano che la principale modalità di rilevamento affidabile della TFBG durante la LA è il monitoraggio della temperatura, che può essere significativamente migliorato grazie all'algoritmo proposto. I lavori futuri dovrebbero coinvolgere tessuti tumorali in esperimenti ex vivo e in vivo per valutare l'efficacia dei metodi proposti e proseguire le indagini verso l'uso clinico delle tecniche discusse. Questo lavoro è stato sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca (ERC) nell'ambito del programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione europea, con il Grant Agreement 759159.