光纖光柵傳感技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用*

錢文文 余曉芬 夏忠誠(chéng) 馬杜超 徐向彩 鄭 建

光纖光柵傳感技術(shù)自1989年Morey等[1]首次應(yīng)用以來(lái)，已被廣泛應(yīng)用到建筑工程、航天航空、電力水利、石油化工和生物醫(yī)療等重要行業(yè)領(lǐng)域[2-5]。近年來(lái)，隨著光纖技術(shù)日新月異的發(fā)展，出現(xiàn)了大量新型的光纖和光纖器件，同時(shí)伴隨著各類新型光源和光纖探測(cè)器的使用，光纖傳感技術(shù)在技術(shù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用上有了突破性進(jìn)展[6-9]。光纖傳感器作為光纖的重要應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，其所具有的體積小、重量輕和靈敏度高等應(yīng)用特性，在防磁場(chǎng)干擾、防腐蝕、防水性和耐高溫高壓等方面有著傳統(tǒng)電子傳感器無(wú)可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[10-11]。

光纖光柵傳感技術(shù)是光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域重要的分支，其傳感原理為外界物理參量變化引起光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移，通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖光柵中心波長(zhǎng)大小獲得物理參量具體信息，從而實(shí)現(xiàn)傳感[12]。光纖光柵傳感器是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，除普通光纖傳感器特性外，具有測(cè)量精度更高、分辨率更好以及更適合分布式測(cè)量等特點(diǎn)。

醫(yī)用傳感器[13-15]是應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的傳感器，通過(guò)醫(yī)用傳感器可將人體的生理信號(hào)轉(zhuǎn)換為易讀取的數(shù)字圖像信息，是醫(yī)生用于診斷治療的重要工具[16-18]。由于醫(yī)用傳感器應(yīng)用于人體，所以醫(yī)用傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用須考量生物信號(hào)的特殊性和復(fù)雜性，兼顧生物相容性、可靠性和安全性[19]。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)光纖光柵的特性能滿足醫(yī)用傳感器的特殊需求，故大量基于光纖光柵的醫(yī)用傳感器被研究人員提出。因此，有必要通過(guò)介紹光纖光柵基本傳感原理，分析光纖光柵傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)，綜述其在心臟監(jiān)測(cè)、呼吸監(jiān)測(cè)、體溫監(jiān)測(cè)、超聲領(lǐng)域和外科醫(yī)療等醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

1 光纖光柵傳感器原理與應(yīng)用特點(diǎn)

1978年，Hill等[20]在實(shí)驗(yàn)期間意外發(fā)現(xiàn)，由于光誘導(dǎo)作用可以在摻鍺的光纖中產(chǎn)生光柵效應(yīng)，從而成功制作出世界上第一根光纖光柵。自此以后，光纖光柵的基本原理、制作方法及實(shí)際應(yīng)用被大量研究人員進(jìn)行了深入研究。

光纖的主要材料為石英，由芯層和包層構(gòu)成，外層由涂覆層保護(hù)。通過(guò)對(duì)其芯層摻雜，使芯層折射率(n1)大于包層折射率(n2)，形成光波導(dǎo)，光即可在芯層中傳播。當(dāng)光纖受到外界因素調(diào)制，芯層折射率受到周期性變化，形成光纖光柵。相位掩模法是目前光纖光柵制作最方便和效果最好的方法，簡(jiǎn)化了制作過(guò)程，降低了制作成本。光纖光柵種類繁多，其中典型的是光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)，F(xiàn)BG也是發(fā)展最早，應(yīng)用最廣的光纖光柵之一。FBG結(jié)構(gòu)和光譜特性見(jiàn)圖1。

圖1 FBG結(jié)構(gòu)和光譜特性

1.1 光纖光柵基本傳感原理

通過(guò)某種方式在光纖纖芯上形成空間相位光柵，當(dāng)光通過(guò)光纖光柵時(shí)，前向傳輸與后向傳輸?shù)睦w芯模式之間發(fā)生模式耦合，使得前向傳輸?shù)睦w芯模式轉(zhuǎn)移為后向傳輸?shù)睦w芯模式，即反射了波長(zhǎng)在光纖光柵中心反射波長(zhǎng)(λB)的入射光，λB計(jì)算為公式1：

式中neff為光纖光柵的纖芯有效折射率，Λ為光纖光柵的空間周期。

根據(jù)公式(1)可以得出，當(dāng)光纖光柵的纖芯有效折射率(neff)和空間周期(Λ)發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵中心反射波長(zhǎng)(λB)也發(fā)生變化，即光纖光柵中心反射波長(zhǎng)(λB)與纖芯有效折射率(neff)和光柵的空間周期(Λ)有關(guān)。

光纖光柵中心λB與應(yīng)變(ε)和溫度(T)的關(guān)系可簡(jiǎn)化為公式2：

式中δf為光纖材料的熱膨脹系數(shù)，ξ為光纖材料的熱光系數(shù)，Pe為光纖材料的彈光系數(shù)。δf、ξ和Pe的計(jì)算分別為公式3、公式4和公式5：

由公式(2)得知，光纖光柵中心反射波長(zhǎng)受應(yīng)變和溫度影響，可通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變和溫度的傳感。其他物理參量如壓強(qiáng)、位移等，均可轉(zhuǎn)化為溫度或壓力等因素直接作用于光纖光柵上，從而可利用光纖光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)各物理參量的傳感。

1.2 光纖光柵應(yīng)用特點(diǎn)

基于光纖光柵本身材料特性和結(jié)構(gòu)特征，以及其傳感原理，其具有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)。

(1)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與外形可變。通常光纖光柵只有3～5 cm長(zhǎng)度，光纖質(zhì)量又輕，光纖光柵傳感頭是一種小巧靈活、便于攜帶的器件，且可根據(jù)光纖光柵傳感器實(shí)際使用情況，進(jìn)行不同類型的封裝以滿足不同的傳感需求。由于醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用于人體，要符合人體各種復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)特性，而光纖光柵傳感器上述特點(diǎn)可滿足醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域傳感器的特殊要求。

(2)化學(xué)穩(wěn)定性好。光纖光柵的主要構(gòu)成材料為二氧化硅，而二氧化硅有著良好的化學(xué)穩(wěn)定性，故光纖光柵傳感器防腐蝕性強(qiáng)，適用于化學(xué)腐蝕性的惡劣環(huán)境，也適用于各類生物體環(huán)境。

(3)物理穩(wěn)定性好。光纖光柵主要構(gòu)成材料為二氧化硅，故光纖光柵對(duì)電絕緣，同時(shí)可防水和耐高溫高壓。該特性可確保光纖光柵實(shí)際使用的安全性，非常適用于醫(yī)療設(shè)備傳感領(lǐng)域。

(4)不受電磁干擾。由于光纖光柵的工作原理，其具有不受電磁干擾的特性，尤其適用于輻射強(qiáng)度大的惡劣環(huán)境，如應(yīng)用于核磁檢測(cè)等特殊環(huán)境下的醫(yī)用檢測(cè)。

(5)傳感靈敏度高。光纖光柵通過(guò)監(jiān)測(cè)中心反射波長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)傳感，故測(cè)量靈敏度高，由于很多醫(yī)學(xué)檢測(cè)的變化量均極小，一些普通傳感器無(wú)法測(cè)量出變化量，故光纖光柵的這一特性確保其可應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備傳感領(lǐng)域。

(6)測(cè)量準(zhǔn)確度高。基于光纖光柵的傳感原理，不受光源等其他因素干擾，其測(cè)量準(zhǔn)確度較高，而醫(yī)用傳感器對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度要求很高，使光纖光柵這一特性較好滿足醫(yī)用傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度要求。

(7)可實(shí)現(xiàn)分布式實(shí)時(shí)測(cè)量。利用多種復(fù)用技術(shù)可將多個(gè)光纖光柵串聯(lián)，形成一個(gè)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的物理量。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)光纖實(shí)時(shí)傳輸?shù)教綔y(cè)器，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)物理量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。此特性可滿足醫(yī)用傳感器多參數(shù)測(cè)量的要求。

(8)測(cè)量范圍廣。通過(guò)對(duì)光纖光柵結(jié)構(gòu)和封裝設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類物理參量的測(cè)量，如應(yīng)變、溫度、壓力、旋轉(zhuǎn)速度以及pH值和濕度。

2 光纖光柵在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用分析

2.1 心臟監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用

心臟效率是心臟監(jiān)護(hù)重要參數(shù)之一，1997年一種用于測(cè)量心臟效率的光纖光柵傳感器被提出[21]。該測(cè)量方法中，使用者將定向熱稀釋導(dǎo)管插入被測(cè)者的右心房，同時(shí)注射一種冷凍液，通過(guò)測(cè)量被測(cè)者肺動(dòng)脈血液的溫度和脈動(dòng)率，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)心臟泵血量測(cè)量。

Gao等[22]提出一種光纖光柵傳感器用于測(cè)量人體心音和心跳頻率，光纖光柵作為傳感頭封裝在紡織物中，當(dāng)紡織物緊貼人的身體時(shí)，心音和心跳作用于光纖光柵傳感頭上，實(shí)現(xiàn)聲音-應(yīng)變-光信號(hào)的調(diào)制過(guò)程，最終通過(guò)監(jiān)測(cè)中心變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的心音和心跳頻率的傳感。

2.2 呼吸監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用

姜德生等[23]報(bào)道，巴西的Wehrle等提出一種基于光纖光柵的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將光纖光柵應(yīng)變傳感器通過(guò)彈性膠帶固定于被測(cè)者胸部，傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)胸腔變化實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸過(guò)程頻譜的測(cè)量。在使用高壓電極幫助患者人工呼吸的過(guò)程中，通常使用高壓放電刺激隔膜神經(jīng)幫助患者呼吸，故患者胸部需裝有高壓電極，普通電類傳感器并不適用于此高壓環(huán)境，而光纖光柵具有抗高壓干擾特性，所以基于光纖光柵傳感器可用于此高壓環(huán)境，在此類使用高壓電極幫助患者人工呼吸的過(guò)程中，用于控制高壓放電的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者呼吸情況的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。

Krebber等[24]研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)一種可穿戴式傳感器系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)使用者呼吸情況。該傳感器使用光纖光柵縫合于紡織物中，將紡織物穿戴于使用者胸部和腹部，通過(guò)監(jiān)測(cè)胸部和腹部壓力變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)呼吸運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。該穿戴式傳感器便于醫(yī)療機(jī)構(gòu)工作人員對(duì)使用者呼吸情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.3 超聲領(lǐng)域應(yīng)用

FiSher等[25]提出基于光纖光柵傳感器探測(cè)超聲波場(chǎng)。該研究團(tuán)隊(duì)提出一個(gè)1 mm長(zhǎng)的光纖光柵作為傳感頭，測(cè)量2 MHz高頻超聲波場(chǎng)，壓力分辨能力達(dá)到醫(yī)用設(shè)備中有較多超聲診斷設(shè)備，如超聲波碎石、超聲波熱療及超聲波外科等。超聲波設(shè)備使用時(shí)，其輸出功率通常需用傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而常規(guī)的壓電裝置對(duì)電磁場(chǎng)敏感，但探頭尺寸與之不匹配，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量體內(nèi)的超聲波場(chǎng)。光纖光柵傳感器具有尺寸小，抗電磁干擾等特點(diǎn)，適用于醫(yī)用超聲診斷設(shè)備的傳感，可實(shí)現(xiàn)超聲波場(chǎng)的多點(diǎn)測(cè)量。

2.4 溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用

Rao等[26]首次提出應(yīng)用于監(jiān)控核磁共振機(jī)實(shí)際溫度的光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)傳感頭由4個(gè)光纖光柵串聯(lián)而成，使用過(guò)程中將傳感頭置于核磁共振機(jī)的容器中，容器的磁場(chǎng)值為4.7 T，使用25 m長(zhǎng)的光纖連接探頭和解調(diào)儀，傳感系統(tǒng)的溫度分辨能力為0.1 ℃，精度為±0.5 ℃，測(cè)量范圍25～60 ℃。該傳感系統(tǒng)充分體現(xiàn)光纖光柵傳感器抗電磁干擾的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)熱電偶傳感器無(wú)法應(yīng)用于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境的溫度監(jiān)測(cè)。

Rao等[27]再次提出另一種新型的醫(yī)用溫度傳感光纖光柵傳感系統(tǒng)，應(yīng)用于醫(yī)用熱療過(guò)程中的溫度監(jiān)測(cè)。該傳感系統(tǒng)溫度測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)熱電偶傳感器的溫度測(cè)量結(jié)果一致，其分辨能力為0.1 ℃，精度為±0.2 ℃，測(cè)量范圍為30～60 ℃。光纖光柵傳感器穩(wěn)定的物理特性十分適合將其應(yīng)用于一些檢測(cè)環(huán)境較為復(fù)雜的醫(yī)療領(lǐng)域。

2.5 外科醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用

新加坡總醫(yī)院和新加坡南洋理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究中心合作研制的一種基于光纖光柵壓力傳感系統(tǒng)用于外科校正，可極大幫助醫(yī)生了解患者身體狀況，有效幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷和治療[23]。該系統(tǒng)將埋有光纖光柵陣列的腳壓傳感墊作為傳感頭，當(dāng)患者站立在傳感墊時(shí)，壓力變化引起光纖光柵波長(zhǎng)漂移，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)和繪圖設(shè)備，繪制出壓力的空間圖形，方便醫(yī)生了解患者站立時(shí)的腳底壓力分布情況，進(jìn)行外科校正。

2.6 睡眠監(jiān)護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用

沈亞松[28]提出基于光纖光柵的實(shí)時(shí)睡覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)空巢老人和臥床患者，為防止睡眠過(guò)程中的跌落風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其睡眠位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將增敏式光纖光柵置于平板膜片，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者睡覺(jué)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。當(dāng)使用者睡眠時(shí)翻身和滾動(dòng)，傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)分析由于翻身引起壓力變化的原理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)睡眠質(zhì)量的監(jiān)護(hù)。

2.7 內(nèi)窺鏡領(lǐng)域應(yīng)用

戴虹[29]和易新華等[30]提出一種基于多點(diǎn)光纖光柵的內(nèi)窺鏡形狀感知傳感系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)內(nèi)窺鏡進(jìn)入人體腔道后實(shí)際形狀和具體位置。該系統(tǒng)以多個(gè)光纖光柵為傳感頭，建立傳感網(wǎng)絡(luò)，利用光纖光柵采集內(nèi)窺鏡空間各點(diǎn)的曲率信息，將收集到的信息處理并擬合出內(nèi)窺鏡在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的空間狀態(tài)，便于臨床醫(yī)務(wù)人員更好地操作控制內(nèi)窺鏡。

3 展望

通過(guò)介紹光纖光柵基本傳感原理，分析光纖光柵傳感器體積小、重量輕、抗腐蝕、耐高溫高壓、抗磁場(chǎng)干擾、靈敏度高及準(zhǔn)確度高等應(yīng)用特點(diǎn)，總結(jié)了光纖光柵傳感器在心臟監(jiān)測(cè)、呼吸監(jiān)測(cè)、體溫監(jiān)測(cè)、超聲領(lǐng)域和外科醫(yī)療等醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用情況。然而，光纖光柵傳感器在實(shí)際醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用還需考量醫(yī)療應(yīng)用實(shí)際復(fù)雜性和特殊性，而目前大部分研究?jī)H停留于實(shí)驗(yàn)室研究階段，相信隨著研究人員投入更多的研究與實(shí)驗(yàn)，必將研發(fā)出能真正應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的光纖光柵醫(yī)用傳感器。