許博蔚, 李威燃, 田 赫, 崔金剛,*

(1.東北林業(yè)大學(xué)理學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040;2.黑龍江科技大學(xué)理學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150020)

0 引 言

隨著現(xiàn)代醫(yī)療科技的發(fā)展,強電磁場環(huán)境在醫(yī)療領(lǐng)域越來越常見,特別是在一些醫(yī)療設(shè)備中都會人為的建立強電磁場環(huán)境,以達到檢測治療的目的。如在腫瘤熱療過程中,需要將患者安置于強電磁場環(huán)境中,利用磁場使人體組織溫度升高,其中腫瘤部位的溫度要達到42℃以上,以實現(xiàn)殺死腫瘤細胞的目的。治療過程需要嚴格控制溫度在42～44℃的范圍,以避免傷害正常細胞,這就需要測量精確的傳感器時刻對人體病變組織進行溫度監(jiān)控。腫瘤熱療過程會產(chǎn)生較強的電磁場,常用的熱敏電阻、熱電偶等傳感器,在測溫及信號傳輸?shù)倪^程中都會受強電磁場的影響,難以實現(xiàn)溫度的準確測量。人體內(nèi)溫度測量,要求測溫系統(tǒng)必須具有更高的安全性,同時為保證探頭可以順利置于人體內(nèi)部,還要求傳感器的探頭具有小巧、柔韌、堅固等特點。經(jīng)過研究,利用光纖光柵原理進行溫度測量的傳感器能夠適應(yīng)強電磁場工作環(huán)境,滿足人體內(nèi)部安全的使用要求,在醫(yī)療測溫領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值[1]。

1 溫度測量原理

光纖具有體積小、響應(yīng)速度快、耐腐蝕性好、柔韌性好等優(yōu)點,幾乎可隨意彎曲能夠很容易地進入人體組織內(nèi)部,在醫(yī)療成像[2]、目標定位[3]、激光消融[4]、控制及傳感[5]等醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。光纖光柵是近年發(fā)展起來的新型傳感器件,由K. O. Hill等人提出[6],當(dāng)光纖光柵自身的周期或折射率隨著外界環(huán)境發(fā)生變化時,會導(dǎo)致光纖內(nèi)透射或反射波長隨之發(fā)生改變。在實際應(yīng)用中,利用光纖光柵原理制作的傳感器靈敏度高、性能穩(wěn)定、信號損耗小、抗電磁干擾能力強,廣泛應(yīng)用于傳感測量領(lǐng)域。

光纖布拉格光柵的反射或透射波長主要由光柵的折射率和周期決定。根據(jù)光纖光柵的折射率的周期性分布規(guī)律,可利用耦合模式理論對光纖光柵進行求解,并結(jié)合光柵中光傳輸模式的正交性,得到光纖光柵的布拉格方程如式(1):

λB=2neffΛ

(1)

式(1)中,λB為光纖光柵的反射或透射波長,neff為光纖光柵的折射率,Λ為光纖軸向的折射率周期,即光纖光柵的布拉格常數(shù)。由(1)式可知,光纖的波長與折射率周期成正比,溫度等外部參數(shù)會導(dǎo)致折射率周期發(fā)生變化,我們通過測量光纖波長的變化就能得到溫度變化信息。

對(1)式進行求導(dǎo),可得式(2):

dλB=2(dneffΛ+neffdΛ)

(2)

由式(2)可知,當(dāng)光纖光柵的折射率或周期改變時,其反射或透射波長也會隨之發(fā)生變化,通常情況下,其反射或透射波長滿足式(3):

(3)

式(3)中,dε,dT,ρz,分別為應(yīng)變變化、溫度變化、有效彈光系數(shù),而α,β分別為熱膨脹系數(shù)、熱光系數(shù)。

為忽略外界應(yīng)力變化的影響,對光柵進行封裝,此時其反射或透射波長的變化可改寫為式(4):

dλB=KTdT

(4)

式(4)中,KT=λB(α+β)為光纖光柵溫度系數(shù)。式(4)表明光纖光柵的反射或透射波長是隨溫度變化的,如果可以獲得光纖光柵反射波長的改變,就可獲得相應(yīng)溫度的變化。

2 溫度傳感實驗

2.1 傳感器探頭封裝

為保證傳感器不受外界應(yīng)力影響并提高安全性,需要對光纖光柵溫度傳感器的探頭部分進行封裝,圖1為探頭結(jié)構(gòu)示意圖,光纖外層為起保護作用的涂覆層,為降低涂覆層對傳感器溫度響應(yīng)的影響,要除掉探頭部分的涂覆層。柵區(qū)的長度越小越好,可以減小光纖光柵探頭的尺寸,但過短的柵區(qū)結(jié)構(gòu)會降低光柵反射波長與待測溫度間的線性度,嚴重時會使測溫失效,實際所使用的光纖光柵的長度約為2.5mm比較適宜。

采用玻璃管對光纖光柵進行封裝,封裝后探頭的外徑約0.6mm,長度約3.5mm;利用對人體安全的環(huán)氧樹脂膠對玻璃管進行密封,并將一定量的空氣封裝在玻璃管內(nèi),以實現(xiàn)光纖光柵與外界的熱交換,同時可以避免光纖光柵與玻璃管或環(huán)氧樹脂膠相接觸,極大限度地保證光纖光柵處于自由狀態(tài)。光纖光柵通過普通單模光纖與外界相連,密封后的探頭及單模光纖外層包裹一層外徑為1mm的醫(yī)用聚氨酯套管。封裝后的光纖光柵探頭如圖2所示,圖中虛線中為測溫探頭,玻璃管可有效傳遞溫度給光纖光柵,探頭整體尺寸為3.5mm。

2.2 實驗結(jié)果及分析

實驗中采用美國Micron Optics(MOI)公司生產(chǎn)的sm125型光纖光柵解調(diào)儀,其波長掃描范圍為1510nm～1590nm,波長精度為1pm,測得光纖光柵探頭的反射光譜如圖3所示,反射光譜的中心波長在1550nm附近,由于所使用的光纖光柵較短,反射譜中噪聲較大,但反射光譜的中心波長處,透射率仍然較大,滿足傳感需要。

圖1 溫度傳感探頭結(jié)構(gòu)[5]

圖2 溫度傳感探頭

圖3 傳感探頭的反射光譜

當(dāng)溫度變化時,反射光譜的中心波長會隨溫度的變化而改變,利用中心波長與溫度的對應(yīng)關(guān)系,即光纖光柵探頭的溫度響應(yīng)曲線,通過測量反射光譜的中心波長就可得出相應(yīng)的溫度值。實驗中采用恒溫水箱作為溫度源,測量光纖光柵探頭的溫度響應(yīng)曲線和響應(yīng)時間,恒溫水箱的溫度精度為0.1℃,在測試中將探頭牢固安置在恒溫水箱中,通過改變水溫,建立探頭反射波長平均值與水溫的關(guān)系,得到其波長響應(yīng)曲線如圖4所示?？紤]到腫瘤熱療的實際情況,溫度設(shè)定在35℃～45℃的人體溫度范圍,溫度變化間隔為1℃。并增加了30℃,50℃兩個數(shù)據(jù)點以擴大測量范圍。實驗重復(fù)測試了10次,以平均值作為圖4中的數(shù)據(jù)點,圖中直線為根據(jù)最小二乘法得到的擬合直線。

對于具有應(yīng)用價值的傳感器而言,輸入輸出關(guān)系具有良好的線性度有很重要的意義,由圖4可知,溫度變化與光纖光柵探頭的反射波長表現(xiàn)出良好線性關(guān)系,兩者的線性相關(guān)系數(shù)為0.9992,光纖光柵探頭的溫度系數(shù)達到了10.05pm/℃。

圖4 傳感探頭的波長響應(yīng)

為獲得在溫度變化時探頭的響應(yīng)時間,將探頭在兩個盛水容器間進行切換,兩個容器的水溫設(shè)置在人體溫度范圍,并相差十?dāng)z氏度以上。圖5所示為探頭在兩個盛水容器間切換時的響應(yīng)情況,選取其中8次溫度變化過程,包括4次升溫過程、4次降溫過程。表1中數(shù)據(jù)為溫度變化時,探頭的響應(yīng)時間。由表1結(jié)果可知,降溫過程中探頭響應(yīng)相對較慢,這主要是因為探頭結(jié)構(gòu)緊湊散熱面積小,降溫速率較慢。此外,探頭在容器間進行切換時會產(chǎn)生一定的降溫,這一影響因素在表1數(shù)據(jù)中沒有體現(xiàn)。因此,實際的降溫過程探頭響應(yīng)時間要略大一些,而升溫過程探頭響應(yīng)時間應(yīng)比實際略小,綜合考量探頭響應(yīng)最大響應(yīng)時間約為5s。

表1 圖5中傳感探頭的響應(yīng)時間(單位:s)

為了驗證探頭在強電磁場條件下,體內(nèi)測溫的有效性并獲得測溫誤差,在哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院綜合癌癥中心,利用醫(yī)用熱療機加熱豬肉,對比光纖光柵探頭與標準熱電阻測溫計的測溫結(jié)果,熱電阻的誤差為0.02℃。實驗中,光纖光柵探頭始終放置于豬肉內(nèi)部,當(dāng)光纖光柵探頭顯示的豬肉溫度上升到一定數(shù)值時,關(guān)閉熱療機,再將熱電阻測溫計放置于與光纖光柵探頭相同的位置,以對比光纖光柵探頭與熱電阻測溫計的測溫結(jié)果。實驗裝置如圖6所示,光纖光柵探頭與測溫計的對比結(jié)果如表2所示,多次測量得出,光纖光柵探頭的最大誤差約為0.35℃。

圖5 傳感探頭的響應(yīng)測量

圖6 醫(yī)用熱療機加熱豬肉時的實驗裝置圖

表2 光纖光柵探頭與測溫計的對比結(jié)果(單位:℃)

3 結(jié) 語

為實現(xiàn)強電磁場條件下的溫度測量,利用光纖傳感技術(shù),將光纖光柵應(yīng)用于腫瘤熱療等強電磁場條件下的人體內(nèi)溫度測量,利用體內(nèi)安全材料對光纖光柵進行封裝,可以有效地保護人體及測溫探頭,且避免外界各種應(yīng)力對測溫的影響。封裝后,光纖光柵探頭的直徑約為1mm,長度約為3.5mm,較小的體積有利于安置于人體內(nèi)部。

實驗表明在人體溫度附近,光纖光柵溫度傳感器溫度與波長響應(yīng)的線性相關(guān)系數(shù)為0.9992。溫度變化幅度在十?dāng)z氏度時,光纖光柵探頭的最大響應(yīng)時間約為5s。為驗證傳感器的可行性,以豬肉代替人體進行模擬,利用醫(yī)用熱療機加熱豬肉,并與標準熱電阻測溫計相對比,證明光纖光柵探頭在強電磁場條件下,能夠?qū)崿F(xiàn)體內(nèi)測溫的準確性,并得到探頭的最大測溫誤差約為0.35℃。因此,光纖光柵測溫傳感器,可滿足在強電磁條件下,實現(xiàn)人體內(nèi)溫度的有效測量,可以在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)進行應(yīng)用。