新型保偏光纖溫度傳感器及其在半導體激光治療領域的應用

戴麗，姚志清，趙俊

1. 南京大學醫學院附屬口腔醫院 兒童口腔科，江蘇 南京 210000；2. 南京曦光信息科技有限公司，江蘇 南京 210000；3. 東南大學 光傳感/光通信綜合網絡國家（地方）聯合工程研究中心，江蘇 南京 210000

引言

激光技術與臨床領域的不斷結合，不僅為生命科學開辟了新的研究途徑，而且為臨床診斷治療提供了全新的技術手段[1-2]。通過激光照射進行非接觸式表面腫瘤治療，已成為用于食管癌、支氣管癌、結直腸癌和膀胱癌凝固、壞死和緩解治療的公認的醫學技術[3-5]。現階段，醫學研究人員正在考慮用激光技術治療肝臟、胰腺、前列腺甚至腦部的深層腫瘤，這種采用微創手術的體內深度局部間質熱療技術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會，減少患者術后的恢復時間[6-7]。

半導體激光器具有體積小、重量輕、壽命長、功耗低、波長覆蓋范圍廣等特點，激光能量參數可控，可兼容光纖導光，成為近年來國內外臨床應用的研究熱點[8-10]，幾乎覆蓋了臨床治療、整形、美容等領域所有其他類型激光器的應用范圍。

半導體激光的熱效應可以導致組織局部溫度升高。組織接受激光輻射后，根據其達到一定溫度所持續的時間和峰值，可以呈現出不同的效應：凝結、汽化、碳化和熔融[11]。現有的體內深度激光治療設備沒有準確的靶組織溫度探測手段，往往需要憑借術者的操作手法和經驗判斷來控制激光輸出能量及曝光時間，不可避免的會導致靶組織因局部熱累計而產生不可逆的熱損傷，或者對鄰近非靶組織造成損害。

光纖溫度傳感器具有體積小、重量輕、易集成的優點，光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）溫度傳感器近年來被研究并逐漸應用于激光熱療領域[12-13]。但是FBG光纖溫度傳感器測溫精度低（±0.5℃），解調原理復雜，成本高。本文基于保偏光纖的溫度雙折射效應，創新性的提出一種新型高精度、低成本、具有良好互易性的反射式保偏光纖溫度傳感（Polarization Maintaining Fiber Temperature Sensor，PMF-TS）方案[14]。采用125 μm保偏光纖作為測溫探頭，可與半導體激光光導纖維一起集成進穿刺針，通過實時、精確監測靶組織的溫度變化，結合各種治療參數與靶組織的大小、數量及位置的關系，實時反饋控制半導體激光器的輸出能量及脈沖頻率，滿足體內深度腫瘤組織精準微創間質激光熱療的應用需求。

1 系統架構

1.1 半導體激光器及醫療領域應用狀況

半導體二極管激光器體積小、壽命長，其發展大致經歷了三個階段：同質結激光器、異質結激光器和量子阱結構激光器。其中同質結激光器和單異質結激光器在室溫時多為脈沖光輸出，而雙異質結激光器室溫時可實現連續光輸出。

隨著分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）和金屬有機化合物化學氣相沉積（Metalorganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技術的日漸成熟[15-16]，可以生長出原子尺寸的薄層，使注入的載流子呈現量子效應，進而形成量子阱激光器，其閾值電流密度更低、電光轉換效率更高、輸出功率更大、波長范圍更寬。

隨著半導體激光器性能的不斷改進，其在應用臨床醫療和整形美容領域不斷拓展，見表1[17]。

半導體激光治療儀可將低功率激光輻射通過一根由醫學成像技術引導的光纖延伸引入，采用探針直接插入到靶組織中，為體內深度局部間質熱療技術提供一種安全、有效的微創手術手段。然而，因半導體芯片封裝結構和工藝的不同，管芯PN結的發熱性損耗會導致半導體激光器的輸出光波長、譜寬以及強度隨環境溫度發生變化（圖1）。因此，相同的驅動電流并不能保持半導體激光器輸出功率的穩定，進而影響激光治療效果。

圖1 半導體激光器的制備工藝及封裝

1.2 保偏光纖溫度傳感器

本文基于保偏光纖的溫度雙折射效應，創新性的提出一種光纖溫度傳感器，由寬譜光源、耦合器、起偏器、保偏光纖和傳感光纖組成，見圖2。寬譜光源發出的光經過起偏器后成為線偏振光，進入保偏光纖，保偏光纖與傳感光纖呈45o角熔接，傳感光纖的另一端鍍有全反射膜，實現對入射光的反射。當環境溫度發生變化時，溫度雙折射效應會改變傳感光纖中兩本征模的傳播常數差，從而導致本征模之間的位相差隨溫度變化。信號處理單元采用特殊的信號解調、擬合及濾波算法，通過檢測因位相差引起的干涉場的能量變化，即可獲得溫度變化信息。

圖2 PMF-TS系統架構

根據系統各模塊的傳輸模型，可得入射到PMF-TS光電探測器的光強信號[14]：

表1 醫用半導體激光器的應用狀況

其中，δx及δy為傳感光纖快、慢軸的相位延遲；Iin為入射光光強。線偏光在x、y 方向上傳輸的相位差為：

其中，L為傳感光纖長度；Δβ為傳感光纖x、y方向傳播常數差。采用應力型保偏光纖用于溫度傳感，Δβ在-200oC～400oC的范圍內與溫度成線性關系，溫度系數約為10-3量級。

1.3 基于保偏光纖溫度傳感器的半導體激光治療儀

為解決半導體激光器輸出功率波動問題，本文提出一種基于PMF-TS的閉環控制半導體激光治療儀方案，見圖3。通過對靶組織溫度的實時感知閉環反饋控制激光器的輸出功率，在精準控制靶組織溫度的同時，可更精確的獲取破壞所有靶組織所需的治療參數，如激光功率、曝光時間等，以及各種治療參數與靶組織的大小、數量及位置的關系。

圖3 基于PMF-TS的閉環控制半導體激光治療儀方案

半導體激光器的驅動電路包括4個部分：基準電壓源，恒流源電路，脈沖控制電路和保護電路。其中，穩壓電源為半導體激光器提供一個紋波小，毛刺少的穩恒電流，以穩定激光輸出功率。

PMF-TS的信號處理模塊實時獲取激光/溫度探頭處靶組織的溫度信息，送給半導體激光器的反饋控制電路，控制激光器驅動電流的大小，實時調整激光器的輸出功率和脈沖頻率，并調節探頭的移動速度以保持探頭處靶組織的溫度在預定的治療溫度范圍內。

溫度傳感光纖和激光輸出光纖被集成在探針套管內部，溫度傳感光纖可和探針一起進入靶組織內部，使其能夠響應來自組織傳導的熱量。激光/溫度探頭與主機之間采用二芯3 mm光纜連接，方便術者操作。

2 試驗測試

研制的PMF-TS溫度傳感探頭，見圖4。其中測溫探頭是直徑為125 μm的保偏光纖，長度小于5 mm。帶護套的900 μm光纖起傳輸光的作用，長度不受限制。125 μm測溫光纖探頭可封裝在半導體激光治療儀探針套管內部。圖示為采用1 mm銅管封裝的探頭樣品照片。

兩個PMF-TS樣品在室溫環境下的性能測試數據，見圖5。可以看出，PMF-TS的響應速度與18B20電子式單線數字溫度傳感器一致，遠優于PT100鉑電阻溫度傳感器。PMF-TS的測溫分辨率為0.1oC，測溫精度為±0.2oC。

圖5 室溫環境下PMF-TS性能測試數據

40oC～70oC 環境下 PMF-TS的溫度性能及可重復性的測試結果，見圖6，環境溫度變化速率為1oC/min。由圖示可知，PMF-TS能夠準確測出變化的環境溫度，溫度重復性能優越，與18B20的擬合程度較高，測溫準確度優于PT100。

圖6 變溫環境下PMF-TS性能測試數據

為滿足激光治療領域精準溫度測量需求，提高PMFTS的穩定性及測試精度，本文基于卡爾曼（Kalman）濾波算法進一步濾除系統噪聲，提高測溫精度。

Kalman濾波前后，PMF-TS與18B20的常溫性能對比測試數據，見圖7。由圖示可以看出，經過Kalman濾波后，PMF-TS的測溫分辨率提高到0.01℃，遠優于分辨率為0.06℃的18B20溫度傳感器。同時，PMF-TS的測溫精度提高到了±0.02℃，優于18B20的±0.03℃。

Kalman濾波前后，PMF-TS與18B20的變溫性能對比測試數據，見圖8。采用手掌同時罩住PMF-TS與18B20測溫探頭，然后松開。可以看出，兩種溫度傳感器對外界環境溫度的微小變化量反映靈敏且迅速，能夠滿足半導體激光治療儀的應用需求。

半導體激光器在-40oC～70oC環境下，采用PMF-TS實現半導體激光器輸出功率閉環控制試驗圖，見圖9。PMFTS探測因激光輸出功率變化而導致的靶組織的溫度變化，進而反饋控制激光器驅動電流，保證激光器輸出功率穩定。

圖7 Kalman濾波后PMF-TS常溫性能測試

圖8 Kalman濾波后PMF-TS變溫性能測試

圖9 激光器及溫度集成探頭樣機

經過PMF-TS閉環控制以后，半導體激光器在-40oC～70oC環境下，輸出功率的波動測試數據，見圖10。可以看出，在長達近24 h的連續測試時間內，半導體激光器的輸出功率波動可以穩定控制在±0.1 W以內，能夠很好的滿足半導體激光治療儀在臨床醫療和整形美容領域的精準治療需求。

圖10 半導體激光器閉環功率控制試驗數據

3 結論

本文基于保偏光纖的溫度雙折射效應，設計一種高精度、低成本、具有良好互易性的反射式保偏光纖溫度傳感器，測溫分辨率為0.01oC，測溫精度為±0.1oC。采用體積小、重量輕的光纖溫度探頭，可與半導體激光器激光輸出光纖集成，組成多功能激光治療儀探針，通過實時、精確監測靶組織的溫度變化，閉環控制半導體激光器的輸出能量、脈沖頻率及曝光時間，在精準控制靶組織溫度的同時，可更精確的獲取破壞所有靶組織所需的治療參數，如激光功率、曝光時間等，以及各種治療參數與靶組織的大小、數量及位置的關系，滿足體內深度腫瘤組織精準微創激光熱療的應用需求。