黑龍江省醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科 黑龍江哈爾濱 150036

腫瘤是導(dǎo)致人類死亡的首要疾病之一，目前，治療腫瘤主要有外科療法（手術(shù)）、化學(xué)療法（化療）、放射治療（放療）等。射頻熱療也是其中之一，腫瘤射頻熱療機是采用非接觸式的治療方式，利用射頻波將組織加熱到能殺滅腫瘤的溫度（42.5-43.5℃），持續(xù)時間60-120分鐘，達到既殺死腫瘤細胞又不會損壞正常組織的目的[1]。這是由于腫瘤組織中的血管扭曲擴張、血流阻力大、血管感受器不健全，對溫度敏感性差，在高溫下散熱困難，升溫快，形成巨大的儲熱庫，可與正常組織形成5-10℃的溫差；而正常組織可以長時間耐受42.5-43.5的高溫（正常組織細胞的溫度安全界限為45±1℃），從而殺死腫瘤細胞而正常細胞不受影響，熱療不會引起諸如骨髓抑制、脫發(fā)等不良反應(yīng)，也不會對人和環(huán)境產(chǎn)生任何污染。本文設(shè)計了一款新穎的基于多模光纖光柵的光纖Fizeau腔傳感器，光纖光柵對溫度敏感性強也同時對應(yīng)力有一定的敏感性，但Fizeau腔只對應(yīng)力敏感，可以補償由于應(yīng)力帶給溫度的擾動，實現(xiàn)高精度溫度測量。同時由于光纖材質(zhì)抗電磁、耐腐蝕、高靈敏度的特性，成功的解決了普通金屬材質(zhì)傳感器失靈和擊傷患者等問題[2]。

1 多模光纖光柵、光纖Fizeau腔傳感原理

光纖光柵傳感器屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格（Bragg）波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變等物理量的直接測量。光纖Fizeau腔干涉儀傳感器的基本原理為多模光纖端面與被測物體表面形成了Fizeau腔。信號光與參考光在多模光纖中發(fā)生干涉效應(yīng)，然后干涉信號再經(jīng)過環(huán)形器并由環(huán)形器C端輸出，最后由光譜儀接收信號，并利用各種解調(diào)方法對信號進行解調(diào)得出待測物理量。本文的思路是利用多模光纖光柵與光纖Fizeau腔兩種光學(xué)器件，組成一種復(fù)合型光纖傳感器件，通過兩種光學(xué)器件分別對溫度和應(yīng)力具有敏感性的特質(zhì)，排除由于人體內(nèi)、外部其他的應(yīng)力和環(huán)境導(dǎo)致對溫度的干擾，實現(xiàn)高精度溫度測量。

2 基于光纖光柵的光纖Fizeau腔傳感器設(shè)計與實驗

將單模光纖與長約2 cm的多模光纖光柵正對熔接，并將光纖的末端切平，使光纖的端面反射率約為4%。將這一結(jié)構(gòu)插入毛細管，并用紫外線膠固定住單模光纖的部分。在毛細管的另一端插入端面切平的多模光纖并用紫外線膠固定，與帶有光纖光柵的光纖形成Fizeau腔，組成傳感探頭。為了增大接收到的傳感信號，將傳感探頭與光纖環(huán)形器相連，用寬譜光源將光注入并用光譜儀接收傳感器返回的信號[3]。

將傳感單元放置于加溫臺上，測量不同溫度下的傳感信號。光纖光柵部分的諧振波長會隨著溫度的增大而向長波方向移動。多模光纖光柵的三個諧振峰對溫度的響應(yīng)基本相同，分別為18.4 pm/°C，18.0 pm/°C和18.3 pm/°C。對于Fizeau腔的干涉信號，利用傅里葉變換譜解調(diào)出Fizeau腔腔長隨溫度變化的關(guān)系。橫坐標為溫度，單位為℃，縱坐標為Fizeau腔腔長在不同溫度下的改變量ΔL與初始腔長L的比值。在溫度從30℃到120℃的變化范圍內(nèi)，F(xiàn)izeau腔長的改變量隨溫度的變化在0.1%以內(nèi)，因此我們可以認為Fizeau腔的腔長信息不受溫度影響。

可以利用一組線性方程組來描述該傳感系統(tǒng)對溫度和應(yīng)力的響應(yīng)，對光纖Fizeau腔部分，有

同樣地，對多模光纖光柵部分，有

由式（5）可知，這種傳感單元的設(shè)計可以同時測量溫度和位移或應(yīng)力，是一種應(yīng)力補償式的傳感系統(tǒng)。將傳感單元放置于射頻熱療機的工作臺上，插入一塊生豬肉中，測量不同溫度下的傳感信號，利用課題組自制的軟件進行應(yīng)力補償和溫度測試。在從25°C加熱到65°C的過程中，光纖光柵的光纖Fizeau腔傳感器結(jié)構(gòu)的反射譜和透射譜的形狀都保持地不錯，并隨著溫度的增加向長波方向移動，我們選1540nm特征波長進行研究，其溫度響應(yīng)呈現(xiàn)出了很好的線性關(guān)系，溫度分辨率為0.01。

3 結(jié)語

實驗證明，此款新型的光纖光柵的光纖Fizeau腔復(fù)合傳感器對溫度靈敏度高，溫度與光波波長的漂移呈現(xiàn)出了很好的線性關(guān)系[4]。由于光纖的材質(zhì)，射頻熱療機沒有對此款光纖傳感器產(chǎn)生干擾，光纖光柵的光纖Fizeau腔復(fù)合傳感器完全可以勝任人體的測溫任務(wù)。此次試驗是針對射頻熱療機下的生豬肉進行的嘗試測試，還未對人體進行正式的測試，軟件系統(tǒng)、硬件組裝還有待于進一步整合和完善。