设计一种复合型高精度光纤光栅传感探头在热疗肿瘤组织中的温度监测

黑龙江省医院 医学工程科 黑龙江哈尔滨 150036

肿瘤是导致人类死亡的首要疾病之一，目前，治疗肿瘤主要有外科疗法（手术）、化学疗法（化疗）、放射治疗（放疗）等。射频热疗也是其中之一，肿瘤射频热疗机是采用非接触式的治疗方式，利用射频波将组织加热到能杀灭肿瘤的温度（42.5-43.5℃），持续时间60-120分钟，达到既杀死肿瘤细胞又不会损坏正常组织的目的[1]。这是由于肿瘤组织中的血管扭曲扩张、血流阻力大、血管感受器不健全，对温度敏感性差，在高温下散热困难，升温快，形成巨大的储热库，可与正常组织形成5-10℃的温差；而正常组织可以长时间耐受42.5-43.5的高温（正常组织细胞的温度安全界限为45±1℃），从而杀死肿瘤细胞而正常细胞不受影响，热疗不会引起诸如骨髓抑制、脱发等不良反应，也不会对人和环境产生任何污染。本文设计了一款新颖的基于多模光纤光栅的光纤Fizeau腔传感器，光纤光栅对温度敏感性强也同时对应力有一定的敏感性，但Fizeau腔只对应力敏感，可以补偿由于应力带给温度的扰动，实现高精度温度测量。同时由于光纤材质抗电磁、耐腐蚀、高灵敏度的特性，成功的解决了普通金属材质传感器失灵和击伤患者等问题[2]。

1 多模光纤光栅、光纤Fizeau腔传感原理

光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。光纤Fizeau腔干涉仪传感器的基本原理为多模光纤端面与被测物体表面形成了Fizeau腔。信号光与参考光在多模光纤中发生干涉效应，然后干涉信号再经过环形器并由环形器C端输出，最后由光谱仪接收信号，并利用各种解调方法对信号进行解调得出待测物理量。本文的思路是利用多模光纤光栅与光纤Fizeau腔两种光学器件，组成一种复合型光纤传感器件，通过两种光学器件分别对温度和应力具有敏感性的特质，排除由于人体内、外部其他的应力和环境导致对温度的干扰，实现高精度温度测量。

2 基于光纤光栅的光纤Fizeau腔传感器设计与实验

将单模光纤与长约2 cm的多模光纤光栅正对熔接，并将光纤的末端切平，使光纤的端面反射率约为4%。将这一结构插入毛细管，并用紫外线胶固定住单模光纤的部分。在毛细管的另一端插入端面切平的多模光纤并用紫外线胶固定，与带有光纤光栅的光纤形成Fizeau腔，组成传感探头。为了增大接收到的传感信号，将传感探头与光纤环形器相连，用宽谱光源将光注入并用光谱仪接收传感器返回的信号[3]。

将传感单元放置于加温台上，测量不同温度下的传感信号。光纤光栅部分的谐振波长会随着温度的增大而向长波方向移动。多模光纤光栅的三个谐振峰对温度的响应基本相同，分别为18.4 pm/°C，18.0 pm/°C和18.3 pm/°C。对于Fizeau腔的干涉信号，利用傅里叶变换谱解调出Fizeau腔腔长随温度变化的关系。横坐标为温度，单位为℃，纵坐标为Fizeau腔腔长在不同温度下的改变量ΔL与初始腔长L的比值。在温度从30℃到120℃的变化范围内，Fizeau腔长的改变量随温度的变化在0.1%以内，因此我们可以认为Fizeau腔的腔长信息不受温度影响。

可以利用一组线性方程组来描述该传感系统对温度和应力的响应，对光纤Fizeau腔部分，有

同样地，对多模光纤光栅部分，有

由式（5）可知，这种传感单元的设计可以同时测量温度和位移或应力，是一种应力补偿式的传感系统。将传感单元放置于射频热疗机的工作台上，插入一块生猪肉中，测量不同温度下的传感信号，利用课题组自制的软件进行应力补偿和温度测试。在从25°C加热到65°C的过程中，光纤光栅的光纤Fizeau腔传感器结构的反射谱和透射谱的形状都保持地不错，并随着温度的增加向长波方向移动，我们选1540nm特征波长进行研究，其温度响应呈现出了很好的线性关系，温度分辨率为0.01。

3 结语

实验证明，此款新型的光纤光栅的光纤Fizeau腔复合传感器对温度灵敏度高，温度与光波波长的漂移呈现出了很好的线性关系[4]。由于光纤的材质，射频热疗机没有对此款光纤传感器产生干扰，光纤光栅的光纤Fizeau腔复合传感器完全可以胜任人体的测温任务。此次试验是针对射频热疗机下的生猪肉进行的尝试测试，还未对人体进行正式的测试，软件系统、硬件组装还有待于进一步整合和完善。