光纤传感器及其医学应用研究

2016-03-13沈阳师范大学软件学院林海彬王晓薇

电子世界 2016年8期

关键词：测量

沈阳师范大学软件学院林海彬王晓薇

光纤传感器及其医学应用研究

沈阳师范大学软件学院林海彬王晓薇

【摘要】光纤是借助光的全反射原理来制作的光传导仪器，其发明给人类通讯的方式产生了深刻的变革，也为当前信息高速公路的发展和完善提供了强大的技术支撑力。光纤传感器作为光纤应用的重要领域，其借助光纤作为传输信号的介质，是当代医学设备的重要构成部件，在生物医学领域有着极大的技术用途。

【关键词】光纤传感器；医学应用；血流速度；测量

上世纪末，人们就意识到光纤自身可构成一类新型的用于信息交换的元件，同时能将待测的量与其各类参数关联起来，进而把被测信号的状态信息，以光信号的形式完整地传出来。此外，光纤不但是一类优良的低耗损传输线，还是一类敏感度较强的元件。光纤传感器拥有其它传感器所无法比拟的优势：动态范围广泛、响应速度较快、免受电磁波的干扰、灵敏性较好、易于防燃防爆、保密性能较佳、机械强度较高等。自光纤传感器问世以来，已推出了数百个品种，在医学及其它领域获得了极大的用途。

1　光纤传感器的原理分析

光纤传感器由入射光纤、出射光线、光调制器、光源、解调器和光探测器组合而成，其基本工作原理是把光源发出的光通过入射光纤传导调制区，在调制区以内，外界的被测参数同调制区内的光发生反应，使光的频率、偏振、强度和相位等转变为被调制的信号光，再通过出射光纤传输到解调器、光探测器而获取被测物理量。光纤传感器依其传感的工作原理可分为两类：一类是传感型传感器；另一类是传光型传感器。其中，在传光型传感器中，光纤仅充当光传播的介质，对外界信息产生“感觉”则是借助其相应的功能元件，本类传感器中的光纤具有不连续性，同时敏感元件位于中间位置。目前，在医学领域得到最广泛应用的就是传光型光纤传感器。

2　光纤传感器在医学中的具体应用

2.1测定PH值

在医学上，用作测定患者血液值及活体组织的PH光纤光谱传感器，其运行原理是借助透射光、发射光的强度伴随波长的分布光谱来完成测量。这类传感器把两根光纤插到可透过离子的纤维素膜盒内，该膜盒内有试剂，当把医务人员把针头插进血管或组织后，体液就会将试剂渗入，造成试剂把某类波长的光完整吸收，借助光谱分析仪器可测得这种变化，即能求出组织或血液的PH值。

2.2测量温度

当前，世界领域内已采用微波增温热疗的新方法治疗癌症，并获得了显著的临床效果。然而，微波增温治疗临床恶性肿瘤的温度却很难控制。若温度偏高，则会把机体内正常细胞杀死；若温度过低，则无法取得治疗的效果，反而会使恶性癌变细胞不断地扩散。微波增温治疗恶性癌变的温度范围为42.5℃-45℃，只要始终维持在这个温度范围，就能有效杀死恶性癌变细胞，所以要对此温度加以监测，采用光纤温度传感器就能达到监测目标。其工作原理为：LD充当输入光源，工作波长可大850纳米，为避免背景光的影响，光源一律用调制光源，为出现较多的高次模，调制以后的光需经一个扰模器，同时借助参考光来消除测量误差。借助窄带滤波可逐步消除高低频噪声和光干扰。此外，目前正研发新型超热治疗的光纤导尿管，它是一类调制相位的新型仪器，一根光纤可同时携带4-5个温度传感器，温度的分辨率达0.01℃，利用晶体双反射的热变化改造成温度敏感度较高、拥有可变反射率功能的反射镜，对温度同样有着高度的敏感性。就当前而言，应用在临床测量中的光纤温度传感器依然处在技术层面的起步阶段，但其需求量较大，因此，对其研发会逐步活跃起来。

2.3测量压力

临床上常采用压力传感器测量颅内压、心内呀、血管内的血压以及尿道压力等。对压力反应敏锐的部分是探针导管末梢侧壁上的一层防水薄膜，一面带着悬臂的薄膜与微型反射镜连通，反射镜的正对面为一束光纤，其作用是将入射光传导到反射镜，也把反射光传递出来。当薄膜上产生压力时，薄膜会随之出现形变且可以带动悬臂以改变反射镜的角度，由光纤传导而来的光束直接照射至反光镜上，然后反射至光纤的端点。因反射光的实际方向随反射镜角度的改变而改变，所以光纤接收而来的反射光，其强度也会发生一定程度的改变。这种改变会经由光纤传导到另一侧的光电探测器而转化为电信号，经由电压的改变就能明确探针处的压力大小情况。

2.4测量血流速度

多普勒型光纤传感器能够用来测量人体皮下组织的血液流动速度，测量所采用的结构相对简单。发光频率为f的激光经透镜，光纤往往被传输至表皮组织里。对于血管壁等停止运动的组织，所反射的光不会出现频繁移动；但对于皮层毛细血管内血液流速为v的红细胞，反射光会出现频繁移动。出现频率移动的反射光，其强度同红细胞的实际浓度成一定比例，频率的前后变化数值也同红细胞的移动速度成正比。发射光经由光纤收集之后，首先在光检测仪器上实施混频，接着进入至信号处理仪器内，进而获得红细胞的浓度及移动速度。

2.5传输图像

临床医学领域上的图像传输是传输型光纤传感器的一项生动、独特的应用。仅需把诸多光纤组合成光纤束，便能形成使图像空间量化的传感器。自光导纤维引至内窥镜后，极大地拓宽了内窥镜的应用领域。照明用的光依靠光纤照射至被测物体上，反射光经由接收光纤输出信号，已出现的各类内窥镜基本能完成人体任何部位的检查。光纤内窥镜不但能诊断人体疾病症状，还可检查人类的心导管，具有独特的图像传输效果。