適用于精準(zhǔn)溫度控制半導(dǎo)體激光治療儀的新型光纖溫度傳感器

戴 麗,朱頂貴,趙 俊

(1.南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院兒童口腔科,南京 210008; 2.東南大學(xué)光傳感/通信綜合網(wǎng)絡(luò)國(guó)家(地方)聯(lián)合工程研究中心,南京 210012)

激光技術(shù)與臨床領(lǐng)域的不斷結(jié)合,不僅為生命科學(xué)開(kāi)辟了新的研究途徑,而且為臨床診斷治療提供了全新的技術(shù)手段[1-3]。近年來(lái)半導(dǎo)體激光器性能不斷改進(jìn),其在臨床醫(yī)療和整形美容領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展。現(xiàn)階段,醫(yī)學(xué)研究人員正在考慮用激光技術(shù)治療肝臟、胰腺、前列腺甚至腦部的深層腫瘤,這種采用微創(chuàng)手術(shù)的體內(nèi)深度局部間質(zhì)熱療技術(shù)往往是治療這種腫瘤的唯一有效方法,可顯著改善患者治療的舒適度和生存機(jī)會(huì),減少患者術(shù)后的恢復(fù)時(shí)間[4-6]。激光技術(shù)在口腔臨床應(yīng)用上具有減輕疼痛、抑制炎癥、活化細(xì)胞和加速?gòu)?fù)原等優(yōu)勢(shì)[7-8]。在口腔軟、硬組織治療中,體現(xiàn)為微創(chuàng)少痛、療效更好、愈合更快、治療更舒適等特點(diǎn)。

然而,現(xiàn)有的體內(nèi)深度激光治療設(shè)備沒(méi)有準(zhǔn)確的靶組織溫度探測(cè)手段,往往需要憑借術(shù)者的操作手法和經(jīng)驗(yàn)判斷來(lái)控制激光輸出能量及曝光時(shí)間,不可避免的會(huì)導(dǎo)致靶組織因局部熱累計(jì)而產(chǎn)生不可逆的熱損傷,或者對(duì)鄰近非靶組織造成損害。

光纖布拉格光柵溫度傳感器FBG-TS(Fiber Bragg Grating Temperature Sensor)近年來(lái)逐漸被應(yīng)用于激光熱療領(lǐng)域[9-11]。但是 FBG光纖溫度傳感器測(cè)溫精度低,響應(yīng)速度慢,信號(hào)解調(diào)及探頭制作工藝復(fù)雜,成本高,不能滿(mǎn)足激光熱療快速、精準(zhǔn)的溫度測(cè)量需求。

本文基于保偏光纖的溫度雙折射效應(yīng),提出一種精度高、成本低、響應(yīng)速度快、具有良好互易性的偏振干涉式光纖溫度傳感器PIF-TS(Polarization Interference optical Fiber Temperature Sensor)[12-13]。采用125 μm保偏光纖作為測(cè)溫探頭,可與200 μm半導(dǎo)體激光光導(dǎo)纖維一起集成進(jìn)穿刺針,通過(guò)實(shí)時(shí)、精確監(jiān)測(cè)靶組織的溫度變化,結(jié)合各種治療參數(shù)與靶組織的大小、數(shù)量及位置的關(guān)系,實(shí)時(shí)反饋控制半導(dǎo)體激光器的輸出能量及脈沖頻率,滿(mǎn)足體內(nèi)深度腫瘤組織精準(zhǔn)微創(chuàng)間質(zhì)激光熱療的應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 PIF-TS系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于保偏光纖的溫度雙折射效應(yīng),提出一種偏振干涉式光纖溫度傳感器,由寬譜光源、耦合器、起偏器、保偏光纖和傳感光纖組成,如圖1所示。寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)起偏器后成為線(xiàn)偏振光,進(jìn)入保偏光纖,保偏光纖與傳感光纖呈45°角熔接,傳感光纖的另一端鍍有全反射膜,實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的反射。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),溫度雙折射效應(yīng)會(huì)改變傳感光纖中兩本征模的傳播常數(shù)差,從而導(dǎo)致本征模之間的相位差隨溫度變化。信號(hào)處理單元采用信號(hào)解調(diào)、擬合及濾波算法,通過(guò)檢測(cè)因相位差引起的干涉場(chǎng)的能量變化,即可獲得溫度變化信息。

圖1 PIF-TS系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)各模塊的傳輸模型,可得入射到PMF-TS光電探測(cè)器的光強(qiáng)信號(hào)[10]:

(1)

式中:δx及δy為傳感光纖快、慢軸的相位延遲;Iin為入射光光強(qiáng)。

線(xiàn)偏光在x、y方向上傳輸?shù)南辔徊顬?

δ=δx-δy=L(βx-βy)=LΔβ

(2)

式中:L為傳感光纖長(zhǎng)度;Δβ為傳感光纖x、y方向傳播常數(shù)差。

采用應(yīng)力型保偏光纖用于溫度傳感,Δβ在-200 ℃～400 ℃的范圍內(nèi)與溫度成線(xiàn)性關(guān)系,溫度系數(shù)約為10-3量級(jí)。

1.2 基于PIF-TS的半導(dǎo)體激光治療儀

基于PIF-TS的閉環(huán)控制半導(dǎo)體激光治療儀方案如圖2所示。

圖2 基于PIF-TS的半導(dǎo)體激光治療儀

信號(hào)處理單元通過(guò)溫度傳感探頭實(shí)時(shí)采集靶組織的溫度信息,通過(guò)反饋控制模塊閉環(huán)控制激光器驅(qū)動(dòng)電流的大小,實(shí)時(shí)調(diào)整激光器的輸出功率和脈沖頻率,在精準(zhǔn)控制靶組織溫度的同時(shí),可更精確的獲取破壞所有靶組織所需的治療參數(shù),如激光功率、曝光時(shí)間等,以及各種治療參數(shù)與靶組織的大小、數(shù)量及位置的關(guān)系。

圖3所示為激光/溫度集成型穿刺針示意圖,溫度傳感光纖和激光供能光纖被集成在探針套管內(nèi)部,溫度傳感光纖可和探針一起進(jìn)入靶組織內(nèi)部,使其能夠響應(yīng)來(lái)自組織傳導(dǎo)的熱量。激光供能光纖采用200 μm石英光纖,光纖末端所處穿刺針位置開(kāi)通孔,用于輸出激光能量。溫度傳感光纖采用125 μm保偏光纖,光纖末端所處穿刺針位置為盲孔。

圖3 激光/溫度集成型穿刺針示意圖

圖4所示為基于PIF-TS的半導(dǎo)體激光治療儀閉環(huán)反饋控制算法流程圖。首先設(shè)置激光熱療時(shí)靶組織允許的溫度變化范圍(T1～T2)。若溫度傳感器采集到的靶組織溫度大于T2,則減小激光器驅(qū)動(dòng)電流,降低激光器輸出功率;若溫度傳感器采集到的靶組織溫度小小于T1,則增大激光器驅(qū)動(dòng)電流,提高激光器輸出功率。

圖4 閉環(huán)反饋控制算法流程圖

2 試驗(yàn)測(cè)試

圖5是研制的PIF-TS溫度傳感探頭,由125 μm測(cè)溫光纖探頭、250 μm傳輸光纖及900 μm帶護(hù)套傳輸光纖3部分組成。其中125 μm測(cè)溫光纖探頭和250 μm傳輸光纖可封裝在探針套管內(nèi)部。900 μm傳輸光纖和250 μm傳輸光纖實(shí)現(xiàn)溫度信息傳輸,傳輸距離不受限制。

圖5 PIF-TS溫度傳感探頭

圖6 變溫環(huán)境下PIF-TS性能測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6測(cè)試了在-40 ℃～70 ℃環(huán)境下PIF-TS的溫度性能及可重復(fù)性。由圖示可知,PIF-TS的溫度重復(fù)性能優(yōu)越,響應(yīng)速度與18B20電子式單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器一致。響應(yīng)速度及測(cè)溫分辨率優(yōu)于PT100鉑電阻溫度傳感器。

為滿(mǎn)足激光治療領(lǐng)域精準(zhǔn)、快速溫度測(cè)量需求,本文比較測(cè)試了PIF-TS與FBG-TS的測(cè)溫精度及響應(yīng)速度,如圖7和圖8所示。

圖7 PIF-TS與FBG-TS測(cè)溫精度對(duì)比測(cè)試

圖8 PIF-TS與FBG-TS響應(yīng)速度對(duì)比測(cè)試

由圖7可知,PIF-TS的測(cè)溫分辨率為0.01 ℃,測(cè)溫精度為±0.1 ℃,遠(yuǎn)優(yōu)于測(cè)溫分辨率為0.1 ℃,測(cè)溫精度為±0.5 ℃的FBG-TS。

圖8測(cè)試了在相同環(huán)境溫度變化條件下,PIF-TS與FBG-TS對(duì)外界環(huán)境溫度變化的響應(yīng)速度。由圖示可知,PIF-TS的響應(yīng)速度比FBG-TS快了約8 ms。

圖9為半導(dǎo)體激光器在-40 ℃～70 ℃環(huán)境下,采用PIF-TS實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器輸出功率閉環(huán)控制試驗(yàn)圖。PIF-TS探測(cè)因激光輸出功率變化而導(dǎo)致的靶組織的溫度變化,進(jìn)而反饋控制激光器驅(qū)動(dòng)電流,保證激光器輸出功率穩(wěn)定。由圖10可以看出,半導(dǎo)體激光器輸出功率波動(dòng)可以穩(wěn)定在±0.1 W以?xún)?nèi)。

圖9 激光器及溫度集成探頭樣機(jī)

圖10 半導(dǎo)體激光器閉環(huán)功率控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文基于保偏光纖的溫度雙折射效應(yīng),提出一種高精度、低成本、具有良好互易性的偏振干涉式光纖溫度傳感方案。采用125 μm保偏光纖作為測(cè)溫探頭,與半導(dǎo)體激光器200 μm傳能光纖集成,可組成一種具有精準(zhǔn)溫度控制能力的新型半導(dǎo)體激光治療儀探針,滿(mǎn)足體內(nèi)深度組織精準(zhǔn)微創(chuàng)激光熱療的應(yīng)用需求。完成了樣機(jī)研制,并與光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行了比較測(cè)試,結(jié)果表明,PIF-TS的測(cè)溫分辨率、測(cè)溫精度、響應(yīng)速度及制作成本均優(yōu)于FBG-TS。