许博蔚, 李威燃, 田 赫, 崔金刚,*

(1.东北林业大学理学院,黑龙江 哈尔滨 150040;2.黑龙江科技大学理学院,黑龙江 哈尔滨 150020)

0 引 言

随着现代医疗科技的发展,强电磁场环境在医疗领域越来越常见,特别是在一些医疗设备中都会人为的建立强电磁场环境,以达到检测治疗的目的。如在肿瘤热疗过程中,需要将患者安置于强电磁场环境中,利用磁场使人体组织温度升高,其中肿瘤部位的温度要达到42℃以上,以实现杀死肿瘤细胞的目的。治疗过程需要严格控制温度在42～44℃的范围,以避免伤害正常细胞,这就需要测量精确的传感器时刻对人体病变组织进行温度监控。肿瘤热疗过程会产生较强的电磁场,常用的热敏电阻、热电偶等传感器,在测温及信号传输的过程中都会受强电磁场的影响,难以实现温度的准确测量。人体内温度测量,要求测温系统必须具有更高的安全性,同时为保证探头可以顺利置于人体内部,还要求传感器的探头具有小巧、柔韧、坚固等特点。经过研究,利用光纤光栅原理进行温度测量的传感器能够适应强电磁场工作环境,满足人体内部安全的使用要求,在医疗测温领域具有重要的应用价值[1]。

1 温度测量原理

光纤具有体积小、响应速度快、耐腐蚀性好、柔韧性好等优点,几乎可随意弯曲能够很容易地进入人体组织内部,在医疗成像[2]、目标定位[3]、激光消融[4]、控制及传感[5]等医疗领域应用广泛。光纤光栅是近年发展起来的新型传感器件,由K. O. Hill等人提出[6],当光纤光栅自身的周期或折射率随着外界环境发生变化时,会导致光纤内透射或反射波长随之发生改变。在实际应用中,利用光纤光栅原理制作的传感器灵敏度高、性能稳定、信号损耗小、抗电磁干扰能力强,广泛应用于传感测量领域。

光纤布拉格光栅的反射或透射波长主要由光栅的折射率和周期决定。根据光纤光栅的折射率的周期性分布规律,可利用耦合模式理论对光纤光栅进行求解,并结合光栅中光传输模式的正交性,得到光纤光栅的布拉格方程如式(1):

λB=2neffΛ

(1)

式(1)中,λB为光纤光栅的反射或透射波长,neff为光纤光栅的折射率,Λ为光纤轴向的折射率周期,即光纤光栅的布拉格常数。由(1)式可知,光纤的波长与折射率周期成正比,温度等外部参数会导致折射率周期发生变化,我们通过测量光纤波长的变化就能得到温度变化信息。

对(1)式进行求导,可得式(2):

dλB=2(dneffΛ+neffdΛ)

(2)

由式(2)可知,当光纤光栅的折射率或周期改变时,其反射或透射波长也会随之发生变化,通常情况下,其反射或透射波长满足式(3):

(3)

式(3)中,dε,dT,ρz,分别为应变变化、温度变化、有效弹光系数,而α,β分别为热膨胀系数、热光系数。

为忽略外界应力变化的影响,对光栅进行封装,此时其反射或透射波长的变化可改写为式(4):

dλB=KTdT

(4)

式(4)中,KT=λB(α+β)为光纤光栅温度系数。式(4)表明光纤光栅的反射或透射波长是随温度变化的,如果可以获得光纤光栅反射波长的改变,就可获得相应温度的变化。

2 温度传感实验

2.1 传感器探头封装

为保证传感器不受外界应力影响并提高安全性,需要对光纤光栅温度传感器的探头部分进行封装,图1为探头结构示意图,光纤外层为起保护作用的涂覆层,为降低涂覆层对传感器温度响应的影响,要除掉探头部分的涂覆层。栅区的长度越小越好,可以减小光纤光栅探头的尺寸,但过短的栅区结构会降低光栅反射波长与待测温度间的线性度,严重时会使测温失效,实际所使用的光纤光栅的长度约为2.5mm比较适宜。

采用玻璃管对光纤光栅进行封装,封装后探头的外径约0.6mm,长度约3.5mm;利用对人体安全的环氧树脂胶对玻璃管进行密封,并将一定量的空气封装在玻璃管内,以实现光纤光栅与外界的热交换,同时可以避免光纤光栅与玻璃管或环氧树脂胶相接触,极大限度地保证光纤光栅处于自由状态。光纤光栅通过普通单模光纤与外界相连,密封后的探头及单模光纤外层包裹一层外径为1mm的医用聚氨酯套管。封装后的光纤光栅探头如图2所示,图中虚线中为测温探头,玻璃管可有效传递温度给光纤光栅,探头整体尺寸为3.5mm。

2.2 实验结果及分析

实验中采用美国Micron Optics(MOI)公司生产的sm125型光纤光栅解调仪,其波长扫描范围为1510nm～1590nm,波长精度为1pm,测得光纤光栅探头的反射光谱如图3所示,反射光谱的中心波长在1550nm附近,由于所使用的光纤光栅较短,反射谱中噪声较大,但反射光谱的中心波长处,透射率仍然较大,满足传感需要。

图1 温度传感探头结构[5]

图2 温度传感探头

图3 传感探头的反射光谱

当温度变化时,反射光谱的中心波长会随温度的变化而改变,利用中心波长与温度的对应关系,即光纤光栅探头的温度响应曲线,通过测量反射光谱的中心波长就可得出相应的温度值。实验中采用恒温水箱作为温度源,测量光纤光栅探头的温度响应曲线和响应时间,恒温水箱的温度精度为0.1℃,在测试中将探头牢固安置在恒温水箱中,通过改变水温,建立探头反射波长平均值与水温的关系,得到其波长响应曲线如图4所示。考虑到肿瘤热疗的实际情况,温度设定在35℃～45℃的人体温度范围,温度变化间隔为1℃。并增加了30℃,50℃两个数据点以扩大测量范围。实验重复测试了10次,以平均值作为图4中的数据点,图中直线为根据最小二乘法得到的拟合直线。

对于具有应用价值的传感器而言,输入输出关系具有良好的线性度有很重要的意义,由图4可知,温度变化与光纤光栅探头的反射波长表现出良好线性关系,两者的线性相关系数为0.9992,光纤光栅探头的温度系数达到了10.05pm/℃。

图4 传感探头的波长响应

为获得在温度变化时探头的响应时间,将探头在两个盛水容器间进行切换,两个容器的水温设置在人体温度范围,并相差十摄氏度以上。图5所示为探头在两个盛水容器间切换时的响应情况,选取其中8次温度变化过程,包括4次升温过程、4次降温过程。表1中数据为温度变化时,探头的响应时间。由表1结果可知,降温过程中探头响应相对较慢,这主要是因为探头结构紧凑散热面积小,降温速率较慢。此外,探头在容器间进行切换时会产生一定的降温,这一影响因素在表1数据中没有体现。因此,实际的降温过程探头响应时间要略大一些,而升温过程探头响应时间应比实际略小,综合考量探头响应最大响应时间约为5s。

表1 图5中传感探头的响应时间(单位:s)

为了验证探头在强电磁场条件下,体内测温的有效性并获得测温误差,在哈尔滨医科大学附属第一医院综合癌症中心,利用医用热疗机加热猪肉,对比光纤光栅探头与标准热电阻测温计的测温结果,热电阻的误差为0.02℃。实验中,光纤光栅探头始终放置于猪肉内部,当光纤光栅探头显示的猪肉温度上升到一定数值时,关闭热疗机,再将热电阻测温计放置于与光纤光栅探头相同的位置,以对比光纤光栅探头与热电阻测温计的测温结果。实验装置如图6所示,光纤光栅探头与测温计的对比结果如表2所示,多次测量得出,光纤光栅探头的最大误差约为0.35℃。

图5 传感探头的响应测量

图6 医用热疗机加热猪肉时的实验装置图

表2 光纤光栅探头与测温计的对比结果(单位:℃)

3 结 语

为实现强电磁场条件下的温度测量,利用光纤传感技术,将光纤光栅应用于肿瘤热疗等强电磁场条件下的人体内温度测量,利用体内安全材料对光纤光栅进行封装,可以有效地保护人体及测温探头,且避免外界各种应力对测温的影响。封装后,光纤光栅探头的直径约为1mm,长度约为3.5mm,较小的体积有利于安置于人体内部。

实验表明在人体温度附近,光纤光栅温度传感器温度与波长响应的线性相关系数为0.9992。温度变化幅度在十摄氏度时,光纤光栅探头的最大响应时间约为5s。为验证传感器的可行性,以猪肉代替人体进行模拟,利用医用热疗机加热猪肉,并与标准热电阻测温计相对比,证明光纤光栅探头在强电磁场条件下,能够实现体内测温的准确性,并得到探头的最大测温误差约为0.35℃。因此,光纤光栅测温传感器,可满足在强电磁条件下,实现人体内温度的有效测量,可以在医疗领域内进行应用。