一种基于荧光测温和光热效应的激光光纤热疗探头的制作方法

1.本发明涉及一种基于稀土发光材料荧光测温和光热效应的激光光纤热疗探头。


背景技术：

2.激光热疗是利用激光热效应的一种治疗方法，通过光纤将激光传送到患者需要治疗的部位，使被照射的生物组织温度升高，从而杀死病变细胞。激光热疗具有创伤面积小、可控性高、疗效好、 恢复快等优点。近年来已用于肝、脑、子宫等部位的肿瘤治疗中。但是传统激光热疗存在温度监控延迟，加热效果差，治疗器件体积过大，间接导热物质有毒性、易残留等问题。温度监控延迟会造成激光所产生的热量通过肿瘤细胞传递到周围健康的组织细胞，从而导致局部组织温度过高危害健康组织细胞安全，或者达不到治疗温度，无法达到理想治疗效果。加热效果差表现在传统激光照射升温速率低，增加了导热的时间，一方面不利于杀灭肿瘤细胞，另一方面长时间照射会将针对肿瘤细胞的热量传递给健康细胞，从而提升了治疗的风险。能够满足低延迟温度监测与升温速度快的器件体积过大，无法达到微创的治疗效果。因此选择合适的材料与探头结构对激光光热治疗意义显著。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于荧光测温和光热效应的激光光纤热疗探头。本发明中探头尖端在穿刺进入组织后，通过激光对内部填充材料进行激发，由于材料良好的光热效果能够迅速升温，在其中加入的纳米导热材料提高了导热率，增强了导热能力。热量通过探头涂覆的石墨烯材料使热量快速传导，随着温度上升，形状记忆合金制成的探头尖端发生形变，由针状尖端变为筒状，减少对组织细胞的二次穿刺伤害。热量通过探头尖端扩散至人体组织内，通过高温杀死病变组织细胞实现光热治疗的目的。为了实时监控加热效果，通过稀土发光材料的荧光测温法进行温度监测。稀土发光材料在外部激光的激发下发出荧光，并随着温度的上升发光强度改变。填充材料所发出的荧光可通过测温光纤传输至外部探测器，经过信号解调后通过荧光强度比值法实现荧光测温，以此来达到测温与温度监测的目的。为防止反射的激光进入测温光纤，在测温光纤内部刻有光栅消除反射的激光。本发明具有创伤小，光热效果好，温度监测精度高，实时性好等优点。
4.实现本发明的技术方案为：一种基于荧光测温和光热效应的激光光纤热疗探头，分为金属壳体和探头尖端两部分；金属壳体内部容纳测温光纤、激光光纤，用于保护和固定光纤；探头尖端采用形状记忆合金材质，提供穿刺人体组织和形变能力，探头尖端的内表面涂覆有石墨烯涂层，内部填充光热复合材料；所述的光热复合材料包括具有荧光测温与光热效应的稀土掺杂材料和用于增强热导率的纳米材料；测温光纤用于传输荧光，测温光纤内部设有光栅用于消除反射的激光，激光光纤用于传输激光，激光通过传输光纤照射到光热复合材料后，光热复合材料发出荧光并释放热量，热量通过导热的石墨烯涂层扩散至探头尖端外部区域，荧光被测
温光纤收集，传输至外部探测器后经信号解调，从而实现实时温度监测传感。
5.所述的金属壳体长度为50 mm
‑
100 mm，直径为1 mm
‑
3 mm，厚度为0.1 mm
‑
1 mm；所述的壳体外壳材质为金属银、金属铂、金属金、或医用不锈钢。
6.所述的探头尖端采用形状记忆合金材质，形变温度以下形状为针状，形变温度及以上形变为柱状，形变温度为45 ℃
‑
70 ℃。
7.所述的石墨烯涂层为石墨烯薄膜、石墨烯片或者石墨烯纳米片，厚度为0.1 mm
‑
1 mm；所述的增强导热率的纳米材料包括碳纳米管、石墨烯薄膜、石墨烯片、纳米金球、纳米金棒、纳米金片、纳米金管、纳米银球、纳米银棒、纳米银片或者纳米银管；所述的增强热导率的纳米材料，纳米片的长度尺度为10 nm
‑
500 nm, 宽度尺度为10 nm
‑
500 nm，厚度为10 nm
‑
200 nm；纳米球的半径为10 nm
‑
500 nm；纳米管的直径为1 nm
‑
100 nm,长度为10 nm
‑
1000 nm，所述的增强热导率的纳米材料与稀土掺杂材料的摩尔质量比为0.1%
‑
40%；所述的具有荧光测温与光热效应的稀土掺杂材料和提升热导率的纳米导热材料可采用混合搅拌、在硅胶中搅拌或者在气凝胶中进行混合，所述的增强热导率的材料在加入后热导率在500 w/mk
‑
7000 w/mk。
8.所述的探头尖端的热传导材料涂覆方法包括但不限于胶水粘结、cvd、mcvd、高速喷涂、掺入硅胶、与气凝胶混合、激光加工。
9.所述的具有荧光测温与光热效应的稀土掺杂材料，通过固相烧结法、水热合成法、爆炸法、化学气相沉积法、及超声波处理后获得，其颗粒大小为50 nm
‑
3000 nm，发光光谱的范围为200
‑
1500 nm；所述的具有荧光测温与光热效应的稀土掺杂材料，包括但不限于，以nayf4、batio3、ba2ybf7、nagdf4、naal(wo4) 2
、pdms、pmma、naao、la2ti2o7、 la2tio5或者b2o
12
w3为基质，掺杂离子包括nd
3
、sm
3
、 eu
3
、tb
3
、dy
3
、ho
3
、er
3
、yb
3
、tm
3
或者lu
3
。
10.所述的激光光纤传输的激光波长为100
‑
5000nm，为连续型激光，功率为0.1 w
‑
500w；所述的测温光纤接收波长为：100 nm
‑
2000 nm, 测温光纤与激光光纤纤芯直径为50 μm
‑
1050 μm，包层直径为120 μm
‑
1100 μm。
11.所述的光纤内部刻蚀有光栅，能够消除反射的激光，消除反射光的波长根据入射激光波长决定，所述的测温光纤内部光栅的加工方式包括但不限于飞秒激光加工，化学刻蚀、cvd、mcvd方法。
12.本发明的有益效果：稀土掺杂材料在荧光测温与光热效果方面具有很大的应用潜力。掺杂稀土离子的材料经过外界激光的激发后发出荧光，与此同时，材料自身也会随着激光的照射温度升高。随着温度的升高，不同发光中心的荧光强度会随之改变。由光纤采集荧光后经过解调得到荧光强度，通过荧光强度比值法（fir）可以进行温度的测量，而且根据不同的材料特性，建立相应的温度
‑
荧光强度关系后，能够以极小的温度误差实现实时温度监测。稀土掺杂材料的多功能特性非常适用于激光光热治疗，并能够大幅缩小光热治疗探头的体积。
13.可以通过选择易于升温的基质，并掺杂发光强度高的稀土离子，获得具有良好的升温效果的材料，在激光的照射下通过光热效应快速释放出大量热量实现快速升温，为了增强导热能力，在其中加入增强热导率的纳米导热材料。同时利用荧光强度比值法实现温度测量。由于石墨烯优异的导热效果，可以在探头内部涂覆石墨烯来增强热导率，同时为了降低由于探头移动造成的穿刺伤害，选用形状记忆合金，在达到一定的温度阈值后发生形
变，进而减少二次伤害。通过联合以上技术来建立创伤小，加热效果好，温度监测精度好，实时性高，器件体积小的优势。
附图说明
14.图1为本发明基于荧光测温和光热效应的激光光纤热疗探头的一种结构示意图。
15.图2为yb
3
,nd
3
掺杂la2ti2o7扫描电镜图片。
16.图3为nd
3
对应发光强度随温度变化图。
17.图4为la2ti2o7于碳纳米管组成的复合光热材料的扫描电镜图片。
18.其中，金属壳体1、光栅2、测温光纤3、激光光纤4、探头尖端5、石墨烯涂层6、光热复合材料7。
具体实施方式
19.以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
20.参阅图1，本发明激光光纤热疗探头分为金属壳体1和探头尖端5两部分。金属壳体1内部容纳测温光纤3、激光光纤4，用于保护和固定光纤，探头尖端5采用形状记忆合金材质，提供穿刺人体组织和形变能力。探头尖端5的内表面涂覆有石墨烯涂层6，探头尖端5的内部填充光热复合材料7。
21.测温光纤3用于传输荧光，测温光纤3内部设有光栅2用于消除反射的激光。激光光纤4用于传输激光。激光通过传输光纤4照射到光热复合材料7后，光热复合材料7发出荧光并释放热量。热量通过导热的石墨烯涂层6扩散至探头尖端5外部区域，荧光被测温光纤3收集，传输至外部探测器后经信号解调，从而实现实时温度监测传感。
22.实施例1如图1所示，本发明提供一种基于荧光测温和光热效应的激光光纤热疗探头。探头尖端为形状记忆合金制成，在45℃以下为针状，通过穿刺进入病患部位，当探头温度升高至45℃逐渐展开为柱状。
23.金属壳体1由316l低镍低铬不锈钢制成，长度为100 mm，直径为3 mm，厚度为1 mm。内部使用石墨烯片涂层，石墨烯涂层厚度为1 mm。激光光纤4传输980 nm激光，测温光纤与激光光纤纤芯直径为50 μm，包层直径为120 μm,光栅2使用飞秒激光加工用于消除反射的980 nm激光。光热复合材料7包括以la2ti2o7为基质，掺杂有yb
3
,nd
3
，通过固态烧结法，并经过超声处理后，得到颗粒直径为3000 nm的材料，直径为1 nm,长度为10 nm的碳纳米管作为纳米导热材料, 增强热导率的碳纳米管与稀土掺杂材料的摩尔质量比为0.1%。材料经过复合后热导率为7000w/mk。图2为掺杂yb
3
,nd
3
的la2ti2o7扫描电镜照片，经过功率为500 w的980 nm激光照射后所发荧光范围为500 nm
‑
900 nm，通过荧光比值法进行温度检测，图3为温度变化下荧光强度的光谱图；经过激光照射的热量通过石墨烯薄膜导出至外部组织细胞，通过高温杀死病变细胞来达到治疗的目的；图4为使用探针对猪肉进行加热后的二维光热照片。
24.实施例2本发明提供一种基于荧光测温和光热效应的激光光纤热疗探头。探头尖端为形状记忆合金制成，在探头内部65 ℃以下为圆锥状，通过穿刺进入病患部位，当探头温度升高
至65℃时逐渐展开为柱状，升温至65 ℃时不再形变。
25.金属壳体1由金属银制成，长度为50 mm，直径为1 mm，厚度为0.1 mm。内部使用石墨烯片涂层，石墨烯涂层厚度为0.1 mm。激光光纤4传输808 nm激光，光栅2使用皮秒激光刻蚀，用于消除反射的808 nm激光。光热复合材料7包括以nayf4为基质，掺杂有yb
3
,er
3
，通过水热合成法制成，得到颗粒大小为50 nm的材料。以及宽度为10 nm,长度为10 nm的纳米银片作为纳米导热材料。纳米银片与稀土掺杂荧光材料的摩尔质量比为40%，材料经过复合后热导率为500w/mk。经过功率为0.1 w的808 nm激光照射后所发荧光范围为400
‑
1500 nm，测温光纤的接收范围为400
‑
1500 nm, 测温光纤与激光光纤纤芯直径为1050 μm，包层直径为1100 μm。通过荧光比值法进行温度检测。

技术特征：
1.一种基于荧光测温和光热效应的激光光纤热疗探头，其特征在于，分为金属壳体和探头尖端两部分；金属壳体内部容纳测温光纤、激光光纤，用于保护和固定光纤；探头尖端采用形状记忆合金材质，提供穿刺人体组织和形变能力，探头尖端的内表面涂覆有石墨烯涂层，内部填充光热复合材料；所述的光热复合材料包括具有荧光测温与光热效应的稀土掺杂材料和用于增强热导率的纳米材料；测温光纤用于传输荧光，测温光纤内部设有光栅用于消除反射的激光，激光光纤用于传输激光，激光通过传输光纤照射到光热复合材料后，光热复合材料发出荧光并释放热量，热量通过导热的石墨烯涂层扩散至探头尖端外部区域，荧光被测温光纤收集，传输至外部探测器后经信号解调，从而实现实时温度监测传感。2.依据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的金属壳体长度为50 mm
‑
100 mm，直径为1 mm
‑
3 mm，厚度为0.1 mm
‑
1 mm；所述的壳体外壳材质为金属银、金属铂、金属金、或医用不锈钢。3.依据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的探头尖端采用形状记忆合金材质，形变温度以下形状为针状，形变温度及以上形变为柱状，形变温度为45 ℃
‑
70 ℃。4.依据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的石墨烯涂层为石墨烯薄膜、石墨烯片或者石墨烯纳米片，厚度为0.1 mm
‑
1 mm。5.依据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的增强导热率的纳米材料包括碳纳米管、石墨烯薄膜、石墨烯片、纳米金球、纳米金棒、纳米金片、纳米金管、纳米银球、纳米银棒、纳米银片或者纳米银管；所述的增强热导率的纳米材料，纳米片的长度尺度为10 nm
‑
500 nm, 宽度尺度为10 nm
‑
500 nm，厚度为10 nm
‑
200 nm；纳米球的半径为10 nm
‑
500 nm；纳米管的直径为1 nm
‑
100 nm,长度为10 nm
‑
1000 nm，所述的增强热导率的纳米材料与稀土掺杂材料的摩尔质量比为0.1%
‑
40%；所述的具有荧光测温与光热效应的稀土掺杂材料和提升热导率的纳米导热材料可采用混合搅拌、在硅胶中搅拌或者在气凝胶中进行混合，所述的增强热导率的材料在加入后热导率在500 w/mk
‑
7000 w/mk。6.依据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的探头尖端的热传导材料涂覆方法包括但不限于胶水粘结、cvd、mcvd、高速喷涂、掺入硅胶、与气凝胶混合、激光加工。7.依据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的具有荧光测温与光热效应的稀土掺杂材料，通过固相烧结法、水热合成法、爆炸法、化学气相沉积法、及超声波处理后获得，其颗粒大小为50 nm
‑
3000 nm，发光光谱的范围为200
‑
1500 nm；所述的具有荧光测温与光热效应的稀土掺杂材料，包括但不限于，以nayf4、batio3、ba2ybf7、nagdf4、naal(wo4) 2
、pdms、pmma、naao、la2ti2o7、 la2tio5或者b2o
12
w3为基质，掺杂离子包括nd
3
、sm
3
、 eu
3
、tb
3
、dy
3
、ho
3
、er
3
、yb
3
、tm
3
或者lu
3
。8.依据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的激光光纤传输的激光波长为100
‑
5000nm，为连续型激光，功率为0.1 w
‑
500w；所述的测温光纤接收波长为：100 nm
‑
2000 nm, 测温光纤与激光光纤纤芯直径为50 μm
‑
1050 μm，包层直径为120 μm
‑
1100 μm。9.依据权利要求8所述的测温光纤，其特征在于，所述的光纤内部刻蚀有光栅，能够消除反射的激光，消除反射光的波长根据入射激光波长决定，所述的测温光纤内部光栅的加工方式包括但不限于飞秒激光加工，化学刻蚀、cvd、mcvd方法。
技术总结
本发明公开了一种基于荧光测温和光热效应的激光光纤热疗探头。针对传统激光热疗温度监测延迟高、加热效果差、器件体积过大、易造成二次伤害等问题提出了一种基于荧光测温和光热效应的激光光纤热疗探头。通过入射激光照射集成在探头顶端的具有荧光测温与光热效应的稀土掺杂材料达到升温与实时温度检测的目的，为了增强导热能力，在其中加入增强热导率的纳米导热材料。热量通过探头尖端传送至病变组织，探头上涂覆的热传导材料能够提高探头的热导率。同时在温度升高后针状探头尖端会形变为柱状，减少尖的探头对于组织的二次伤害。本发明体积小，可实时监测温度，升温效果好，能够达到低成本安全治疗的目的。到低成本安全治疗的目的。到低成本安全治疗的目的。


技术研发人员：白功勋 苏泽文 徐时清 黄友强 刘源
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29