光纖傳感器及其醫學應用研究

沈陽師范大學軟件學院 林海彬 王曉薇

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光纖傳感器及其醫學應用研究

沈陽師范大學軟件學院 林海彬 王曉薇

【摘要】光纖是借助光的全反射原理來制作的光傳導儀器，其發明給人類通訊的方式產生了深刻的變革，也為當前信息高速公路的發展和完善提供了強大的技術支撐力。光纖傳感器作為光纖應用的重要領域，其借助光纖作為傳輸信號的介質，是當代醫學設備的重要構成部件，在生物醫學領域有著極大的技術用途。

【關鍵詞】光纖傳感器；醫學應用；血流速度；測量

上世紀末，人們就意識到光纖自身可構成一類新型的用于信息交換的元件，同時能將待測的量與其各類參數關聯起來，進而把被測信號的狀態信息，以光信號的形式完整地傳出來。此外，光纖不但是一類優良的低耗損傳輸線，還是一類敏感度較強的元件。光纖傳感器擁有其它傳感器所無法比擬的優勢：動態范圍廣泛、響應速度較快、免受電磁波的干擾、靈敏性較好、易于防燃防爆、保密性能較佳、機械強度較高等。自光纖傳感器問世以來，已推出了數百個品種，在醫學及其它領域獲得了極大的用途。

1　光纖傳感器的原理分析

光纖傳感器由入射光纖、出射光線、光調制器、光源、解調器和光探測器組合而成，其基本工作原理是把光源發出的光通過入射光纖傳導調制區，在調制區以內，外界的被測參數同調制區內的光發生反應，使光的頻率、偏振、強度和相位等轉變為被調制的信號光，再通過出射光纖傳輸到解調器、光探測器而獲取被測物理量。光纖傳感器依其傳感的工作原理可分為兩類：一類是傳感型傳感器；另一類是傳光型傳感器。其中，在傳光型傳感器中，光纖僅充當光傳播的介質，對外界信息產生“感覺”則是借助其相應的功能元件，本類傳感器中的光纖具有不連續性，同時敏感元件位于中間位置。目前，在醫學領域得到最廣泛應用的就是傳光型光纖傳感器。

2　光纖傳感器在醫學中的具體應用

2.1測定PH值

在醫學上，用作測定患者血液值及活體組織的PH光纖光譜傳感器，其運行原理是借助透射光、發射光的強度伴隨波長的分布光譜來完成測量。這類傳感器把兩根光纖插到可透過離子的纖維素膜盒內，該膜盒內有試劑，當把醫務人員把針頭插進血管或組織后，體液就會將試劑滲入，造成試劑把某類波長的光完整吸收，借助光譜分析儀器可測得這種變化，即能求出組織或血液的PH值。

2.2測量溫度

當前，世界領域內已采用微波增溫熱療的新方法治療癌癥，并獲得了顯著的臨床效果。然而，微波增溫治療臨床惡性腫瘤的溫度卻很難控制。若溫度偏高，則會把機體內正常細胞殺死；若溫度過低，則無法取得治療的效果，反而會使惡性癌變細胞不斷地擴散。微波增溫治療惡性癌變的溫度范圍為42.5℃-45℃，只要始終維持在這個溫度范圍，就能有效殺死惡性癌變細胞，所以要對此溫度加以監測，采用光纖溫度傳感器就能達到監測目標。其工作原理為：LD充當輸入光源，工作波長可大850納米，為避免背景光的影響，光源一律用調制光源，為出現較多的高次模，調制以后的光需經一個擾模器，同時借助參考光來消除測量誤差。借助窄帶濾波可逐步消除高低頻噪聲和光干擾。此外，目前正研發新型超熱治療的光纖導尿管，它是一類調制相位的新型儀器，一根光纖可同時攜帶4-5個溫度傳感器，溫度的分辨率達0.01℃，利用晶體雙反射的熱變化改造成溫度敏感度較高、擁有可變反射率功能的反射鏡，對溫度同樣有著高度的敏感性。就當前而言，應用在臨床測量中的光纖溫度傳感器依然處在技術層面的起步階段，但其需求量較大，因此，對其研發會逐步活躍起來。

2.3測量壓力

臨床上常采用壓力傳感器測量顱內壓、心內呀、血管內的血壓以及尿道壓力等。對壓力反應敏銳的部分是探針導管末梢側壁上的一層防水薄膜，一面帶著懸臂的薄膜與微型反射鏡連通，反射鏡的正對面為一束光纖，其作用是將入射光傳導到反射鏡，也把反射光傳遞出來。當薄膜上產生壓力時，薄膜會隨之出現形變且可以帶動懸臂以改變反射鏡的角度，由光纖傳導而來的光束直接照射至反光鏡上，然后反射至光纖的端點。因反射光的實際方向隨反射鏡角度的改變而改變，所以光纖接收而來的反射光，其強度也會發生一定程度的改變。這種改變會經由光纖傳導到另一側的光電探測器而轉化為電信號，經由電壓的改變就能明確探針處的壓力大小情況。

2.4測量血流速度

多普勒型光纖傳感器能夠用來測量人體皮下組織的血液流動速度，測量所采用的結構相對簡單。發光頻率為f的激光經透鏡，光纖往往被傳輸至表皮組織里。對于血管壁等停止運動的組織，所反射的光不會出現頻繁移動；但對于皮層毛細血管內血液流速為v的紅細胞，反射光會出現頻繁移動。出現頻率移動的反射光，其強度同紅細胞的實際濃度成一定比例，頻率的前后變化數值也同紅細胞的移動速度成正比。發射光經由光纖收集之后，首先在光檢測儀器上實施混頻，接著進入至信號處理儀器內，進而獲得紅細胞的濃度及移動速度。

2.5傳輸圖像

臨床醫學領域上的圖像傳輸是傳輸型光纖傳感器的一項生動、獨特的應用。僅需把諸多光纖組合成光纖束，便能形成使圖像空間量化的傳感器。自光導纖維引至內窺鏡后，極大地拓寬了內窺鏡的應用領域。照明用的光依靠光纖照射至被測物體上，反射光經由接收光纖輸出信號，已出現的各類內窺鏡基本能完成人體任何部位的檢查。光纖內窺鏡不但能診斷人體疾病癥狀，還可檢查人類的心導管，具有獨特的圖像傳輸效果。

3　結束語

當代醫學用光纖傳感器技術已成功摒棄了以往傳感器占地面積較大、性能較低的技術缺陷，逐步朝著微型化、智能化、無創檢測和可遙控等方向發展。隨著器件性能的日臻完善和應用工藝的不斷改進，光纖傳感器必將迎來更為廣闊的醫學應用前景。

參考文獻

[1]侯正田,理記濤,侯承志.光纖及其在醫學當中的應用[J].甘肅科技,2010(15).

[2]孫素梅,陳洪耀,尹國盛.光纖傳感器的基本原理及在醫學上的應用[J].中國醫學物理學雜志,2008(05).

[3]夏西泉,曹毅.生物醫學傳感器的發展與應用綜述[J].重慶職業技術學院學報,2008(01).

林海彬（1993－），男，福建福州人，大學本科，現就讀于沈陽師范大學，研究方向：計算機科學與技術。

指導老師：王曉薇。

作者簡介：