設(shè)計(jì)一種復(fù)合型高精度光纖光柵傳感探頭在熱療腫瘤組織中的溫度監(jiān)測(cè)

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(lèi)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(jī)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(shí)間60-120分鐘，達(dá)到既殺死腫瘤細(xì)胞又不會(huì)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(kuò)張、血流阻力大、血管感受器不健全，對(duì)溫度敏感性差，在高溫下散熱困難，升溫快，形成巨大的儲(chǔ)熱庫(kù)，可與正常組織形成5-10℃的溫差；而正常組織可以長(zhǎng)時(shí)間耐受42.5-43.5的高溫（正常組織細(xì)胞的溫度安全界限為45±1℃），從而殺死腫瘤細(xì)胞而正常細(xì)胞不受影響，熱療不會(huì)引起諸如骨髓抑制、脫發(fā)等不良反應(yīng)，也不會(huì)對(duì)人和環(huán)境產(chǎn)生任何污染。本文設(shè)計(jì)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(duì)溫度敏感性強(qiáng)也同時(shí)對(duì)應(yīng)力有一定的敏感性，但Fizeau腔只對(duì)應(yīng)力敏感，可以補(bǔ)償由于應(yīng)力帶給溫度的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量。同時(shí)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(wèn)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(guò)程是通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Bragg）波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的直接測(cè)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(cè)物體表面形成了Fizeau腔。信號(hào)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(hào)再經(jīng)過(guò)環(huán)形器并由環(huán)形器C端輸出，最后由光譜儀接收信號(hào)，并利用各種解調(diào)方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得出待測(cè)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(guò)兩種光學(xué)器件分別對(duì)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(duì)溫度的干擾，實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量。

2 基于光纖光柵的光纖Fizeau腔傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

將單模光纖與長(zhǎng)約2 cm的多模光纖光柵正對(duì)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(xì)管，并用紫外線膠固定住單模光纖的部分。在毛細(xì)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(hào)，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(hào)[3]。

將傳感單元放置于加溫臺(tái)上，測(cè)量不同溫度下的傳感信號(hào)。光纖光柵部分的諧振波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度的增大而向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。多模光纖光柵的三個(gè)諧振峰對(duì)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(duì)于Fizeau腔的干涉信號(hào)，利用傅里葉變換譜解調(diào)出Fizeau腔腔長(zhǎng)隨溫度變化的關(guān)系。橫坐標(biāo)為溫度，單位為℃，縱坐標(biāo)為Fizeau腔腔長(zhǎng)在不同溫度下的改變量ΔL與初始腔長(zhǎng)L的比值。在溫度從30℃到120℃的變化范圍內(nèi)，F(xiàn)izeau腔長(zhǎng)的改變量隨溫度的變化在0.1%以?xún)?nèi)，因此我們可以認(rèn)為Fizeau腔的腔長(zhǎng)信息不受溫度影響。

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

同樣地，對(duì)多模光纖光柵部分，有

由式（5）可知，這種傳感單元的設(shè)計(jì)可以同時(shí)測(cè)量溫度和位移或應(yīng)力，是一種應(yīng)力補(bǔ)償式的傳感系統(tǒng)。將傳感單元放置于射頻熱療機(jī)的工作臺(tái)上，插入一塊生豬肉中，測(cè)量不同溫度下的傳感信號(hào)，利用課題組自制的軟件進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償和溫度測(cè)試。在從25°C加熱到65°C的過(guò)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(cuò)，并隨著溫度的增加向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，我們選1540nm特征波長(zhǎng)進(jìn)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(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明，此款新型的光纖光柵的光纖Fizeau腔復(fù)合傳感器對(duì)溫度靈敏度高，溫度與光波波長(zhǎng)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(jī)沒(méi)有對(duì)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(cè)溫任務(wù)。此次試驗(yàn)是針對(duì)射頻熱療機(jī)下的生豬肉進(jìn)行的嘗試測(cè)試，還未對(duì)人體進(jìn)行正式的測(cè)試，軟件系統(tǒng)、硬件組裝還有待于進(jìn)一步整合和完善。