光纤光栅传感技术在医疗设备领域的应用*

钱文文 余晓芬 夏忠诚 马杜超 徐向彩 郑 建

光纤光栅传感技术自1989年Morey等[1]首次应用以来，已被广泛应用到建筑工程、航天航空、电力水利、石油化工和生物医疗等重要行业领域[2-5]。近年来，随着光纤技术日新月异的发展，出现了大量新型的光纤和光纤器件，同时伴随着各类新型光源和光纤探测器的使用，光纤传感技术在技术发展和实际应用上有了突破性进展[6-9]。光纤传感器作为光纤的重要应用受到越来越多的关注，其所具有的体积小、重量轻和灵敏度高等应用特性，在防磁场干扰、防腐蚀、防水性和耐高温高压等方面有着传统电子传感器无可比拟的应用优势[10-11]。

光纤光栅传感技术是光纤传感技术领域重要的分支，其传感原理为外界物理参量变化引起光纤光栅中心波长漂移，通过监测光纤光栅中心波长大小获得物理参量具体信息，从而实现传感[12]。光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器，除普通光纤传感器特性外，具有测量精度更高、分辨率更好以及更适合分布式测量等特点。

医用传感器[13-15]是应用于生物医学领域的传感器，通过医用传感器可将人体的生理信号转换为易读取的数字图像信息，是医生用于诊断治疗的重要工具[16-18]。由于医用传感器应用于人体，所以医用传感器的设计和应用须考量生物信号的特殊性和复杂性，兼顾生物相容性、可靠性和安全性[19]。近年来，研究人员发现光纤光栅的特性能满足医用传感器的特殊需求，故大量基于光纤光栅的医用传感器被研究人员提出。因此，有必要通过介绍光纤光栅基本传感原理，分析光纤光栅传感器的应用特点，综述其在心脏监测、呼吸监测、体温监测、超声领域和外科医疗等医疗设备领域的应用进展。

1 光纤光栅传感器原理与应用特点

1978年，Hill等[20]在实验期间意外发现，由于光诱导作用可以在掺锗的光纤中产生光栅效应，从而成功制作出世界上第一根光纤光栅。自此以后，光纤光栅的基本原理、制作方法及实际应用被大量研究人员进行了深入研究。

光纤的主要材料为石英，由芯层和包层构成，外层由涂覆层保护。通过对其芯层掺杂，使芯层折射率(n1)大于包层折射率(n2)，形成光波导，光即可在芯层中传播。当光纤受到外界因素调制，芯层折射率受到周期性变化，形成光纤光栅。相位掩模法是目前光纤光栅制作最方便和效果最好的方法，简化了制作过程，降低了制作成本。光纤光栅种类繁多，其中典型的是光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)，FBG也是发展最早，应用最广的光纤光栅之一。FBG结构和光谱特性见图1。

图1 FBG结构和光谱特性

1.1 光纤光栅基本传感原理

通过某种方式在光纤纤芯上形成空间相位光栅，当光通过光纤光栅时，前向传输与后向传输的纤芯模式之间发生模式耦合，使得前向传输的纤芯模式转移为后向传输的纤芯模式，即反射了波长在光纤光栅中心反射波长(λB)的入射光，λB计算为公式1：

式中neff为光纤光栅的纤芯有效折射率，Λ为光纤光栅的空间周期。

根据公式(1)可以得出，当光纤光栅的纤芯有效折射率(neff)和空间周期(Λ)发生变化时，光纤光栅中心反射波长(λB)也发生变化，即光纤光栅中心反射波长(λB)与纤芯有效折射率(neff)和光栅的空间周期(Λ)有关。

光纤光栅中心λB与应变(ε)和温度(T)的关系可简化为公式2：

式中δf为光纤材料的热膨胀系数，ξ为光纤材料的热光系数，Pe为光纤材料的弹光系数。δf、ξ和Pe的计算分别为公式3、公式4和公式5：

由公式(2)得知，光纤光栅中心反射波长受应变和温度影响，可通过监测光纤光栅中心反射波长的大小，实现对应变和温度的传感。其他物理参量如压强、位移等，均可转化为温度或压力等因素直接作用于光纤光栅上，从而可利用光纤光栅实现对各物理参量的传感。

1.2 光纤光栅应用特点

基于光纤光栅本身材料特性和结构特征，以及其传感原理，其具有很多显著的优点。

(1)体积小、重量轻、结构简单与外形可变。通常光纤光栅只有3～5 cm长度，光纤质量又轻，光纤光栅传感头是一种小巧灵活、便于携带的器件，且可根据光纤光栅传感器实际使用情况，进行不同类型的封装以满足不同的传感需求。由于医疗设备应用于人体，要符合人体各种复杂的生理结构特性，而光纤光栅传感器上述特点可满足医疗设备领域传感器的特殊要求。

(2)化学稳定性好。光纤光栅的主要构成材料为二氧化硅，而二氧化硅有着良好的化学稳定性，故光纤光栅传感器防腐蚀性强，适用于化学腐蚀性的恶劣环境，也适用于各类生物体环境。

(3)物理稳定性好。光纤光栅主要构成材料为二氧化硅，故光纤光栅对电绝缘，同时可防水和耐高温高压。该特性可确保光纤光栅实际使用的安全性，非常适用于医疗设备传感领域。

(4)不受电磁干扰。由于光纤光栅的工作原理，其具有不受电磁干扰的特性，尤其适用于辐射强度大的恶劣环境，如应用于核磁检测等特殊环境下的医用检测。

(5)传感灵敏度高。光纤光栅通过监测中心反射波长的变化实现传感，故测量灵敏度高，由于很多医学检测的变化量均极小，一些普通传感器无法测量出变化量，故光纤光栅的这一特性确保其可应用于医疗设备传感领域。

(6)测量准确度高。基于光纤光栅的传感原理，不受光源等其他因素干扰，其测量准确度较高，而医用传感器对测量准确度要求很高，使光纤光栅这一特性较好满足医用传感器的测量准确度要求。

(7)可实现分布式实时测量。利用多种复用技术可将多个光纤光栅串联，形成一个分布式传感网络，测量多个点的物理量。测量数据通过光纤实时传输到探测器，最终实现对多个物理量的实时检测。此特性可满足医用传感器多参数测量的要求。

(8)测量范围广。通过对光纤光栅结构和封装设计，可实现对各类物理参量的测量，如应变、温度、压力、旋转速度以及pH值和湿度。

2 光纤光栅在医疗设备领域应用分析

2.1 心脏监测领域应用

心脏效率是心脏监护重要参数之一，1997年一种用于测量心脏效率的光纤光栅传感器被提出[21]。该测量方法中，使用者将定向热稀释导管插入被测者的右心房，同时注射一种冷冻液，通过测量被测者肺动脉血液的温度和脉动率，最终实现对心脏泵血量测量。

Gao等[22]提出一种光纤光栅传感器用于测量人体心音和心跳频率，光纤光栅作为传感头封装在纺织物中，当纺织物紧贴人的身体时，心音和心跳作用于光纤光栅传感头上，实现声音-应变-光信号的调制过程，最终通过监测中心变化，实现对人体的心音和心跳频率的传感。

2.2 呼吸监测领域应用

姜德生等[23]报道，巴西的Wehrle等提出一种基于光纤光栅的呼吸监测系统，将光纤光栅应变传感器通过弹性胶带固定于被测者胸部，传感器通过监测胸腔变化实现对呼吸过程频谱的测量。在使用高压电极帮助患者人工呼吸的过程中，通常使用高压放电刺激隔膜神经帮助患者呼吸，故患者胸部需装有高压电极，普通电类传感器并不适用于此高压环境，而光纤光栅具有抗高压干扰特性，所以基于光纤光栅传感器可用于此高压环境，在此类使用高压电极帮助患者人工呼吸的过程中，用于控制高压放电的触发，实现对患者呼吸情况的实时监护。

Krebber等[24]研究团队研发一种可穿戴式传感器系统，用于实时监护使用者呼吸情况。该传感器使用光纤光栅缝合于纺织物中，将纺织物穿戴于使用者胸部和腹部，通过监测胸部和腹部压力变化，实现对实时呼吸运动监测。该穿戴式传感器便于医疗机构工作人员对使用者呼吸情况进行实时监测。

2.3 超声领域应用

FiSher等[25]提出基于光纤光栅传感器探测超声波场。该研究团队提出一个1 mm长的光纤光栅作为传感头，测量2 MHz高频超声波场，压力分辨能力达到医用设备中有较多超声诊断设备，如超声波碎石、超声波热疗及超声波外科等。超声波设备使用时，其输出功率通常需用传感器进行实时监测，而常规的压电装置对电磁场敏感，但探头尺寸与之不匹配，无法准确测量体内的超声波场。光纤光栅传感器具有尺寸小，抗电磁干扰等特点，适用于医用超声诊断设备的传感，可实现超声波场的多点测量。

2.4 温度监测领域应用

Rao等[26]首次提出应用于监控核磁共振机实际温度的光纤光栅温度传感系统，该系统传感头由4个光纤光栅串联而成，使用过程中将传感头置于核磁共振机的容器中，容器的磁场值为4.7 T，使用25 m长的光纤连接探头和解调仪，传感系统的温度分辨能力为0.1 ℃，精度为±0.5 ℃，测量范围25～60 ℃。该传感系统充分体现光纤光栅传感器抗电磁干扰的优势，实现传统热电偶传感器无法应用于强磁场环境的温度监测。

Rao等[27]再次提出另一种新型的医用温度传感光纤光栅传感系统，应用于医用热疗过程中的温度监测。该传感系统温度测量结果与传统热电偶传感器的温度测量结果一致，其分辨能力为0.1 ℃，精度为±0.2 ℃，测量范围为30～60 ℃。光纤光栅传感器稳定的物理特性十分适合将其应用于一些检测环境较为复杂的医疗领域。

2.5 外科医疗领域应用

新加坡总医院和新加坡南洋理工大学生物医学工程研究中心合作研制的一种基于光纤光栅压力传感系统用于外科校正，可极大帮助医生了解患者身体状况，有效帮助医生进行诊断和治疗[23]。该系统将埋有光纤光栅阵列的脚压传感垫作为传感头，当患者站立在传感垫时，压力变化引起光纤光栅波长漂移，同时通过计算机和绘图设备，绘制出压力的空间图形，方便医生了解患者站立时的脚底压力分布情况，进行外科校正。

2.6 睡眠监护领域应用

沈亚松[28]提出基于光纤光栅的实时睡觉监测系统，针对空巢老人和卧床患者，为防止睡眠过程中的跌落风险，对其睡眠位置进行实时监测，将增敏式光纤光栅置于平板膜片，实现对使用者睡觉质量的监测。当使用者睡眠时翻身和滚动，传感器实时监控，通过分析由于翻身引起压力变化的原理，最终实现对睡眠质量的监护。

2.7 内窥镜领域应用

戴虹[29]和易新华等[30]提出一种基于多点光纤光栅的内窥镜形状感知传感系统，用于监测内窥镜进入人体腔道后实际形状和具体位置。该系统以多个光纤光栅为传感头，建立传感网络，利用光纤光栅采集内窥镜空间各点的曲率信息，将收集到的信息处理并拟合出内窥镜在实际应用过程中的空间状态，便于临床医务人员更好地操作控制内窥镜。

3 展望

通过介绍光纤光栅基本传感原理，分析光纤光栅传感器体积小、重量轻、抗腐蚀、耐高温高压、抗磁场干扰、灵敏度高及准确度高等应用特点，总结了光纤光栅传感器在心脏监测、呼吸监测、体温监测、超声领域和外科医疗等医疗设备领域的应用情况。然而，光纤光栅传感器在实际医疗设备领域的应用还需考量医疗应用实际复杂性和特殊性，而目前大部分研究仅停留于实验室研究阶段，相信随着研究人员投入更多的研究与实验，必将研发出能真正应用于医疗设备领域的光纤光栅医用传感器。