適用于精準溫度控制半導體激光治療儀的新型光纖溫度傳感器

戴 麗,朱頂貴,趙 俊

(1.南京大學醫學院附屬口腔醫院兒童口腔科,南京 210008; 2.東南大學光傳感/通信綜合網絡國家(地方)聯合工程研究中心,南京 210012)

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[1-3]。近年來半導體激光器性能不斷改進,其在臨床醫療和整形美容領域的應用不斷拓展。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[4-6]。激光技術在口腔臨床應用上具有減輕疼痛、抑制炎癥、活化細胞和加速復原等優勢[7-8]。在口腔軟、硬組織治療中,體現為微創少痛、療效更好、愈合更快、治療更舒適等特點。

然而,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。

光纖布拉格光柵溫度傳感器FBG-TS(Fiber Bragg Grating Temperature Sensor)近年來逐漸被應用于激光熱療領域[9-11]。但是 FBG光纖溫度傳感器測溫精度低,響應速度慢,信號解調及探頭制作工藝復雜,成本高,不能滿足激光熱療快速、精準的溫度測量需求。

本文基于保偏光纖的溫度雙折射效應,提出一種精度高、成本低、響應速度快、具有良好互易性的偏振干涉式光纖溫度傳感器PIF-TS(Polarization Interference optical Fiber Temperature Sensor)[12-13]。采用125 μm保偏光纖作為測溫探頭,可與200 μm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 PIF-TS系統架構

本文基于保偏光纖的溫度雙折射效應,提出一種偏振干涉式光纖溫度傳感器,由寬譜光源、耦合器、起偏器、保偏光纖和傳感光纖組成,如圖1所示。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45°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相位差隨溫度變化。信號處理單元采用信號解調、擬合及濾波算法,通過檢測因相位差引起的干涉場的能量變化,即可獲得溫度變化信息。

圖1 PIF-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[10]:

(1)

式中: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:

δ=δx-δy=L(βx-βy)=LΔβ

(2)

式中: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-200 ℃～400 ℃的范圍內與溫度成線性關系,溫度系數約為10-3量級。

1.2 基于PIF-TS的半導體激光治療儀

基于PIF-TS的閉環控制半導體激光治療儀方案如圖2所示。

圖2 基于PIF-TS的半導體激光治療儀

信號處理單元通過溫度傳感探頭實時采集靶組織的溫度信息,通過反饋控制模塊閉環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,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所示為激光/溫度集成型穿刺針示意圖,溫度傳感光纖和激光供能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。激光供能光纖采用200 μm石英光纖,光纖末端所處穿刺針位置開通孔,用于輸出激光能量。溫度傳感光纖采用125 μm保偏光纖,光纖末端所處穿刺針位置為盲孔。

圖3 激光/溫度集成型穿刺針示意圖

圖4所示為基于PIF-TS的半導體激光治療儀閉環反饋控制算法流程圖。首先設置激光熱療時靶組織允許的溫度變化范圍(T1～T2)。若溫度傳感器采集到的靶組織溫度大于T2,則減小激光器驅動電流,降低激光器輸出功率;若溫度傳感器采集到的靶組織溫度小小于T1,則增大激光器驅動電流,提高激光器輸出功率。

圖4 閉環反饋控制算法流程圖

2 試驗測試

圖5是研制的PIF-TS溫度傳感探頭,由125 μm測溫光纖探頭、250 μm傳輸光纖及900 μm帶護套傳輸光纖3部分組成。其中125 μm測溫光纖探頭和250 μm傳輸光纖可封裝在探針套管內部。900 μm傳輸光纖和250 μm傳輸光纖實現溫度信息傳輸,傳輸距離不受限制。

圖5 PIF-TS溫度傳感探頭

圖6 變溫環境下PIF-TS性能測試數據

圖6測試了在-40 ℃～70 ℃環境下PIF-TS的溫度性能及可重復性。由圖示可知,PIF-TS的溫度重復性能優越,響應速度與18B20電子式單線數字溫度傳感器一致。響應速度及測溫分辨率優于PT100鉑電阻溫度傳感器。

為滿足激光治療領域精準、快速溫度測量需求,本文比較測試了PIF-TS與FBG-TS的測溫精度及響應速度,如圖7和圖8所示。

圖7 PIF-TS與FBG-TS測溫精度對比測試

圖8 PIF-TS與FBG-TS響應速度對比測試

由圖7可知,PIF-TS的測溫分辨率為0.01 ℃,測溫精度為±0.1 ℃,遠優于測溫分辨率為0.1 ℃,測溫精度為±0.5 ℃的FBG-TS。

圖8測試了在相同環境溫度變化條件下,PIF-TS與FBG-TS對外界環境溫度變化的響應速度。由圖示可知,PIF-TS的響應速度比FBG-TS快了約8 ms。

圖9為半導體激光器在-40 ℃～70 ℃環境下,采用PIF-TS實現半導體激光器輸出功率閉環控制試驗圖。PIF-TS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。由圖10可以看出,半導體激光器輸出功率波動可以穩定在±0.1 W以內。

圖9 激光器及溫度集成探頭樣機

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,提出一種高精度、低成本、具有良好互易性的偏振干涉式光纖溫度傳感方案。采用125 μm保偏光纖作為測溫探頭,與半導體激光器200 μm傳能光纖集成,可組成一種具有精準溫度控制能力的新型半導體激光治療儀探針,滿足體內深度組織精準微創激光熱療的應用需求。完成了樣機研制,并與光纖光柵溫度傳感器進行了比較測試,結果表明,PIF-TS的測溫分辨率、測溫精度、響應速度及制作成本均優于FBG-TS。