适用于精准温度控制半导体激光治疗仪的新型光纤温度传感器

戴 丽,朱顶贵,赵 俊

(1.南京大学医学院附属口腔医院儿童口腔科,南京 210008; 2.东南大学光传感/通信综合网络国家(地方)联合工程研究中心,南京 210012)

激光技术与临床领域的不断结合,不仅为生命科学开辟了新的研究途径,而且为临床诊断治疗提供了全新的技术手段[1-3]。近年来半导体激光器性能不断改进,其在临床医疗和整形美容领域的应用不断拓展。现阶段,医学研究人员正在考虑用激光技术治疗肝脏、胰腺、前列腺甚至脑部的深层肿瘤,这种采用微创手术的体内深度局部间质热疗技术往往是治疗这种肿瘤的唯一有效方法,可显著改善患者治疗的舒适度和生存机会,减少患者术后的恢复时间[4-6]。激光技术在口腔临床应用上具有减轻疼痛、抑制炎症、活化细胞和加速复原等优势[7-8]。在口腔软、硬组织治疗中,体现为微创少痛、疗效更好、愈合更快、治疗更舒适等特点。

然而,现有的体内深度激光治疗设备没有准确的靶组织温度探测手段,往往需要凭借术者的操作手法和经验判断来控制激光输出能量及曝光时间,不可避免的会导致靶组织因局部热累计而产生不可逆的热损伤,或者对邻近非靶组织造成损害。

光纤布拉格光栅温度传感器FBG-TS(Fiber Bragg Grating Temperature Sensor)近年来逐渐被应用于激光热疗领域[9-11]。但是 FBG光纤温度传感器测温精度低,响应速度慢,信号解调及探头制作工艺复杂,成本高,不能满足激光热疗快速、精准的温度测量需求。

本文基于保偏光纤的温度双折射效应,提出一种精度高、成本低、响应速度快、具有良好互易性的偏振干涉式光纤温度传感器PIF-TS(Polarization Interference optical Fiber Temperature Sensor)[12-13]。采用125 μm保偏光纤作为测温探头,可与200 μm半导体激光光导纤维一起集成进穿刺针,通过实时、精确监测靶组织的温度变化,结合各种治疗参数与靶组织的大小、数量及位置的关系,实时反馈控制半导体激光器的输出能量及脉冲频率,满足体内深度肿瘤组织精准微创间质激光热疗的应用需求。

1 系统架构

1.1 PIF-TS系统架构

本文基于保偏光纤的温度双折射效应,提出一种偏振干涉式光纤温度传感器,由宽谱光源、耦合器、起偏器、保偏光纤和传感光纤组成,如图1所示。宽谱光源发出的光经过起偏器后成为线偏振光,进入保偏光纤,保偏光纤与传感光纤呈45°角熔接,传感光纤的另一端镀有全反射膜,实现对入射光的反射。当环境温度发生变化时,温度双折射效应会改变传感光纤中两本征模的传播常数差,从而导致本征模之间的相位差随温度变化。信号处理单元采用信号解调、拟合及滤波算法,通过检测因相位差引起的干涉场的能量变化,即可获得温度变化信息。

图1 PIF-TS系统架构

根据系统各模块的传输模型,可得入射到PMF-TS光电探测器的光强信号[10]:

(1)

式中:δx及δy为传感光纤快、慢轴的相位延迟;Iin为入射光光强。

线偏光在x、y方向上传输的相位差为:

δ=δx-δy=L(βx-βy)=LΔβ

(2)

式中:L为传感光纤长度;Δβ为传感光纤x、y方向传播常数差。

采用应力型保偏光纤用于温度传感,Δβ在-200 ℃～400 ℃的范围内与温度成线性关系,温度系数约为10-3量级。

1.2 基于PIF-TS的半导体激光治疗仪

基于PIF-TS的闭环控制半导体激光治疗仪方案如图2所示。

图2 基于PIF-TS的半导体激光治疗仪

信号处理单元通过温度传感探头实时采集靶组织的温度信息,通过反馈控制模块闭环控制激光器驱动电流的大小,实时调整激光器的输出功率和脉冲频率,在精准控制靶组织温度的同时,可更精确的获取破坏所有靶组织所需的治疗参数,如激光功率、曝光时间等,以及各种治疗参数与靶组织的大小、数量及位置的关系。

图3所示为激光/温度集成型穿刺针示意图,温度传感光纤和激光供能光纤被集成在探针套管内部,温度传感光纤可和探针一起进入靶组织内部,使其能够响应来自组织传导的热量。激光供能光纤采用200 μm石英光纤,光纤末端所处穿刺针位置开通孔,用于输出激光能量。温度传感光纤采用125 μm保偏光纤,光纤末端所处穿刺针位置为盲孔。

图3 激光/温度集成型穿刺针示意图

图4所示为基于PIF-TS的半导体激光治疗仪闭环反馈控制算法流程图。首先设置激光热疗时靶组织允许的温度变化范围(T1～T2)。若温度传感器采集到的靶组织温度大于T2,则减小激光器驱动电流,降低激光器输出功率;若温度传感器采集到的靶组织温度小小于T1,则增大激光器驱动电流,提高激光器输出功率。

图4 闭环反馈控制算法流程图

2 试验测试

图5是研制的PIF-TS温度传感探头,由125 μm测温光纤探头、250 μm传输光纤及900 μm带护套传输光纤3部分组成。其中125 μm测温光纤探头和250 μm传输光纤可封装在探针套管内部。900 μm传输光纤和250 μm传输光纤实现温度信息传输,传输距离不受限制。

图5 PIF-TS温度传感探头

图6 变温环境下PIF-TS性能测试数据

图6测试了在-40 ℃～70 ℃环境下PIF-TS的温度性能及可重复性。由图示可知,PIF-TS的温度重复性能优越,响应速度与18B20电子式单线数字温度传感器一致。响应速度及测温分辨率优于PT100铂电阻温度传感器。

为满足激光治疗领域精准、快速温度测量需求,本文比较测试了PIF-TS与FBG-TS的测温精度及响应速度,如图7和图8所示。

图7 PIF-TS与FBG-TS测温精度对比测试

图8 PIF-TS与FBG-TS响应速度对比测试

由图7可知,PIF-TS的测温分辨率为0.01 ℃,测温精度为±0.1 ℃,远优于测温分辨率为0.1 ℃,测温精度为±0.5 ℃的FBG-TS。

图8测试了在相同环境温度变化条件下,PIF-TS与FBG-TS对外界环境温度变化的响应速度。由图示可知,PIF-TS的响应速度比FBG-TS快了约8 ms。

图9为半导体激光器在-40 ℃～70 ℃环境下,采用PIF-TS实现半导体激光器输出功率闭环控制试验图。PIF-TS探测因激光输出功率变化而导致的靶组织的温度变化,进而反馈控制激光器驱动电流,保证激光器输出功率稳定。由图10可以看出,半导体激光器输出功率波动可以稳定在±0.1 W以内。

图9 激光器及温度集成探头样机

图10 半导体激光器闭环功率控制试验数据

3 结论

本文基于保偏光纤的温度双折射效应,提出一种高精度、低成本、具有良好互易性的偏振干涉式光纤温度传感方案。采用125 μm保偏光纤作为测温探头,与半导体激光器200 μm传能光纤集成,可组成一种具有精准温度控制能力的新型半导体激光治疗仪探针,满足体内深度组织精准微创激光热疗的应用需求。完成了样机研制,并与光纤光栅温度传感器进行了比较测试,结果表明,PIF-TS的测温分辨率、测温精度、响应速度及制作成本均优于FBG-TS。