光纖傳感器及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究

沈陽(yáng)師范大學(xué)軟件學(xué)院 林海彬 王曉薇

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光纖傳感器及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究

沈陽(yáng)師范大學(xué)軟件學(xué)院 林海彬 王曉薇

【摘要】光纖是借助光的全反射原理來(lái)制作的光傳導(dǎo)儀器，其發(fā)明給人類通訊的方式產(chǎn)生了深刻的變革，也為當(dāng)前信息高速公路的發(fā)展和完善提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐力。光纖傳感器作為光纖應(yīng)用的重要領(lǐng)域，其借助光纖作為傳輸信號(hào)的介質(zhì)，是當(dāng)代醫(yī)學(xué)設(shè)備的重要構(gòu)成部件，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著極大的技術(shù)用途。

【關(guān)鍵詞】光纖傳感器；醫(yī)學(xué)應(yīng)用；血流速度；測(cè)量

上世紀(jì)末，人們就意識(shí)到光纖自身可構(gòu)成一類新型的用于信息交換的元件，同時(shí)能將待測(cè)的量與其各類參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，進(jìn)而把被測(cè)信號(hào)的狀態(tài)信息，以光信號(hào)的形式完整地傳出來(lái)。此外，光纖不但是一類優(yōu)良的低耗損傳輸線，還是一類敏感度較強(qiáng)的元件。光纖傳感器擁有其它傳感器所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：動(dòng)態(tài)范圍廣泛、響應(yīng)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(jī)械強(qiáng)度較高等。自光纖傳感器問(wèn)世以來(lái)，已推出了數(shù)百個(gè)品種，在醫(yī)學(xué)及其它領(lǐng)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(diào)制器、光源、解調(diào)器和光探測(cè)器組合而成，其基本工作原理是把光源發(fā)出的光通過(guò)入射光纖傳導(dǎo)調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)以內(nèi)，外界的被測(cè)參數(shù)同調(diào)制區(qū)內(nèi)的光發(fā)生反應(yīng)，使光的頻率、偏振、強(qiáng)度和相位等轉(zhuǎn)變?yōu)楸徽{(diào)制的信號(hào)光，再通過(guò)出射光纖傳輸?shù)浇庹{(diào)器、光探測(cè)器而獲取被測(cè)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(dāng)光傳播的介質(zhì)，對(duì)外界信息產(chǎn)生“感覺(jué)”則是借助其相應(yīng)的功能元件，本類傳感器中的光纖具有不連續(xù)性，同時(shí)敏感元件位于中間位置。目前，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到最廣泛應(yīng)用的就是傳光型光纖傳感器。

2　光纖傳感器在醫(yī)學(xué)中的具體應(yīng)用

2.1測(cè)定PH值

在醫(yī)學(xué)上，用作測(cè)定患者血液值及活體組織的PH光纖光譜傳感器，其運(yùn)行原理是借助透射光、發(fā)射光的強(qiáng)度伴隨波長(zhǎng)的分布光譜來(lái)完成測(cè)量。這類傳感器把兩根光纖插到可透過(guò)離子的纖維素膜盒內(nèi)，該膜盒內(nèi)有試劑，當(dāng)把醫(yī)務(wù)人員把針頭插進(jìn)血管或組織后，體液就會(huì)將試劑滲入，造成試劑把某類波長(zhǎng)的光完整吸收，借助光譜分析儀器可測(cè)得這種變化，即能求出組織或血液的PH值。

2.2測(cè)量溫度

當(dāng)前，世界領(lǐng)域內(nèi)已采用微波增溫?zé)岑煹男路椒ㄖ委煱┌Y，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(huì)把機(jī)體內(nèi)正常細(xì)胞殺死；若溫度過(guò)低，則無(wú)法取得治療的效果，反而會(huì)使惡性癌變細(xì)胞不斷地?cái)U(kuò)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(gè)溫度范圍，就能有效殺死惡性癌變細(xì)胞，所以要對(duì)此溫度加以監(jiān)測(cè)，采用光纖溫度傳感器就能達(dá)到監(jiān)測(cè)目標(biāo)。其工作原理為：LD充當(dāng)輸入光源，工作波長(zhǎng)可大850納米，為避免背景光的影響，光源一律用調(diào)制光源，為出現(xiàn)較多的高次模，調(diào)制以后的光需經(jīng)一個(gè)擾模器，同時(shí)借助參考光來(lái)消除測(cè)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(fā)新型超熱治療的光纖導(dǎo)尿管，它是一類調(diào)制相位的新型儀器，一根光纖可同時(shí)攜帶4-5個(gè)溫度傳感器，溫度的分辨率達(dá)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(duì)溫度同樣有著高度的敏感性。就當(dāng)前而言，應(yīng)用在臨床測(cè)量中的光纖溫度傳感器依然處在技術(shù)層面的起步階段，但其需求量較大，因此，對(duì)其研發(fā)會(huì)逐步活躍起來(lái)。

2.3測(cè)量壓力

臨床上常采用壓力傳感器測(cè)量顱內(nèi)壓、心內(nèi)呀、血管內(nèi)的血壓以及尿道壓力等。對(duì)壓力反應(yīng)敏銳的部分是探針導(dǎo)管末梢側(cè)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(duì)面為一束光纖，其作用是將入射光傳導(dǎo)到反射鏡，也把反射光傳遞出來(lái)。當(dāng)薄膜上產(chǎn)生壓力時(shí)，薄膜會(huì)隨之出現(xiàn)形變且可以帶動(dòng)懸臂以改變反射鏡的角度，由光纖傳導(dǎo)而來(lái)的光束直接照射至反光鏡上，然后反射至光纖的端點(diǎn)。因反射光的實(shí)際方向隨反射鏡角度的改變而改變，所以光纖接收而來(lái)的反射光，其強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生一定程度的改變。這種改變會(huì)經(jīng)由光纖傳導(dǎo)到另一側(cè)的光電探測(cè)器而轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)由電壓的改變就能明確探針處的壓力大小情況。

2.4測(cè)量血流速度

多普勒型光纖傳感器能夠用來(lái)測(cè)量人體皮下組織的血液流動(dòng)速度，測(cè)量所采用的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。發(fā)光頻率為f的激光經(jīng)透鏡，光纖往往被傳輸至表皮組織里。對(duì)于血管壁等停止運(yùn)動(dòng)的組織，所反射的光不會(huì)出現(xiàn)頻繁移動(dòng)；但對(duì)于皮層毛細(xì)血管內(nèi)血液流速為v的紅細(xì)胞，反射光會(huì)出現(xiàn)頻繁移動(dòng)。出現(xiàn)頻率移動(dòng)的反射光，其強(qiáng)度同紅細(xì)胞的實(shí)際濃度成一定比例，頻率的前后變化數(shù)值也同紅細(xì)胞的移動(dòng)速度成正比。發(fā)射光經(jīng)由光纖收集之后，首先在光檢測(cè)儀器上實(shí)施混頻，接著進(jìn)入至信號(hào)處理儀器內(nèi)，進(jìn)而獲得紅細(xì)胞的濃度及移動(dòng)速度。

2.5傳輸圖像

臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上的圖像傳輸是傳輸型光纖傳感器的一項(xiàng)生動(dòng)、獨(dú)特的應(yīng)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(dǎo)纖維引至內(nèi)窺鏡后，極大地拓寬了內(nèi)窺鏡的應(yīng)用領(lǐng)域。照明用的光依靠光纖照射至被測(cè)物體上，反射光經(jīng)由接收光纖輸出信號(hào)，已出現(xiàn)的各類內(nèi)窺鏡基本能完成人體任何部位的檢查。光纖內(nèi)窺鏡不但能診斷人體疾病癥狀，還可檢查人類的心導(dǎo)管，具有獨(dú)特的圖像傳輸效果。

3　結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)代醫(yī)學(xué)用光纖傳感器技術(shù)已成功摒棄了以往傳感器占地面積較大、性能較低的技術(shù)缺陷，逐步朝著微型化、智能化、無(wú)創(chuàng)檢測(cè)和可遙控等方向發(fā)展。隨著器件性能的日臻完善和應(yīng)用工藝的不斷改進(jìn)，光纖傳感器必將迎來(lái)更為廣闊的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。

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林海彬（1993－），男，福建福州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于沈陽(yáng)師范大學(xué)，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

指導(dǎo)老師：王曉薇。

作者簡(jiǎn)介：