Sviluppo e caratterizzazione di sensori in fibra ottica per misure quasi-distribuite di temperatura = Development and Characterization of Quasi-Distributed Fiber Optic Sensors for Temperature Measurements

I trattamenti effettuati con terapie termiche inducono la necrosi cellulare nelle lesioni attraverso il calore, senza danneggiare il tessuto sano circostante. Essi trovano impiego in ambito oncologico, per il trattamento di aritmie cardiache, per malformazioni vascolari o per il trattamento del dolore. Utilizzando il calore come strumento per distruggere i tessuti malati è importante indurre la necrosi cellulare nell'area di interesse preservando l'area circostante dove il tessuto sano deve rimanere inalterato. A tale scopo è necessario valutare con attenzione sia la quantità di energia da somministrare sia le tempistiche di erogazione della stessa. Queste valutazioni sono attualmente eseguite a priori generalmente su immagini ecografiche o radiologiche ma l'estrema variabilità dei tessuti dal punto di vista termico e ottico non consente di raggiungere risultati soddisfacenti. Una misurazione di temperatura durante il trattamento permetterebbe di risolvere questi problemi ma le tecnologie attualmente disponibili sono eccessivamente invasive e incompatibili con la presenza di radiazione elettromagnetica utilizzata per generare l'ipertermia. Una tecnologia emergente per il monitoraggio della temperatura è quella dei sensori in fibra ottica in quanto offrono diversi vantaggi rispetto ad altri sensori, quali termocoppie, termoresistenze o termistori, tra cui immunità all'interferenza magnetica, rendendoli quindi compatibili per ablazioni di tipo laser e ipertermie a microonde, le dimensioni ridotte e l'elevata sensibilità. In questo lavoro di Tesi sono stati analizzati sensori in fibra ottica a reticolo di Bragg per il monitoraggio della temperatura durante trattamenti di ablazione termica laser e ipertermia a microonde. I reticoli di Bragg sono ottenuti modificando l'indice di rifrazione di una fibra ottica di tipo mono-modale per un'estensione che può variare dal millimetro a poche decine di millimetri. Queste strutture riflettono una particolare lunghezza d’onda chiamata “lunghezza d’onda di Bragg” la cui variazione è legata alla temperatura e allo strain meccanico. I sensori in fibra ottica a reticoli di Bragg possono essere puntuali, quando è inscritto un solo reticolo, oppure semi-distribuiti quando sono presenti più reticoli lungo la fibra. Lo studio si è concentrato sulla realizzazione di array di sensori e sulla loro caratterizzazione metrologica. I sensori realizzati sono stati utilizzati nell'ambito di prove sperimentali di ipertermia a microonde su un fantoccio di agar che simula un collo al fine di creare una mappa di temperatura fondamentale nella validazione di modelli termici. Grazie a queste prove sono stati individuati alcuni problemi non evidenziati durante le prove di caratterizzazione, quali l'impatto della presenza di repliche spettrali nei sensori distribuiti che introduce una "cross-sensitivity" tra i sensori e il problema della caratterizzazione che risulta essere "canale dipendente", almeno quando si vogliono raggiungere incertezze di misura di pochi decimi di grado Celsius. Una seconda applicazione ha riguardato il monitoraggio della temperatura in prove relative allo studio del trattamento di vene varicose con ablazione laser, altra applicazione dove i sensori elettrici tradizionali non posso essere utilizzati perché non trasparenti alla radiazione laser.