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光纤光栅传感器医学中的应用

2015-1-20 16:39:41点击:

光纤光栅传感器医学中的应用

传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的,光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量,提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小,足以避免对正常医疗过程的干扰。

在许多医学应用中,传统的热电耦和热敏电阻温度计是不适用的。使用高频电流、微波和激光进行热疗法代替外科手术越来越受到医学界的关注,增大诊断超声系统的超声波输出并且拓宽高密度超声波的医疗应用也是一种趋势。在这些医疗实践中,强的电磁场或超声波压力场会在人体组织局部产生每厘米十几度的温度梯度,精确的测出温度分布是非常必要的。一种光纤光栅阵列温度传感器[63]被设计用来测量超声波、温度和压力场,内部实地地研究病变组织的超声和热性质,传感器的分辨率为0.1℃,精度为±0.2℃,测量范围为30~60℃。另一个光纤光栅温度传感系统[64]被研制用来遥测核磁共振机中的实地温度,探头由四个光纤光栅组成,探头置于核磁共振机中的一个容器中,容器中的磁场约4.7 t,用25m长的光纤连接探头和解调仪,系统的分辨率为0.1℃,精度为±0.5℃,测量范围为25~60℃。

光纤光栅传感器还被研究用来进行心脏效率的测量[65],这种测量基于一种定向热稀释导流管方法。在这种方法中,医生将定向热稀释导流管插入病人的右心房,并注射一种冷冻液,通过测量肺动脉血液的温度,结合脉动率就可确定心脏泵血量,这对于心脏监测是很重要的,目前用于测温的传感器是常规的热敏电阻和热点偶。

巴西的wehrle等人用弹性胶带将光纤光栅应变传感器固定在病人的胸部,通过胸腔的变化,测量呼吸过程的频谱。这种测量可用在电致人工呼吸中,这时病人胸部装有高压电极,通过高压放电刺激隔膜神经帮助病人呼吸。用光纤光栅传感器控制高压放电的触发,监视病人呼吸情况,有利于改善电致人工呼吸的效果。如果用常规的电类传感器会受到高压放电的干扰。

新加坡总医院将南洋理工大学生物医学工程研究中心研制的一种光纤光栅压力传感器用于外科校正[67],以便帮助医生监视患者的健康。埋有光纤光栅阵列的脚压传感垫配以绘图设备可以绘出外科校正压力的空间图形,能用于监视患者站立时的脚底压力分布。

诊断超声波设备在医疗中有许多应用,如:超声波外科、超声波热疗及超声波碎石等。超声波设备的输出功率需要用传感器来监视,常规的压电装置易受电磁干扰,信号变形,并且由于探头尺寸的限制,难于确定体内的超声波场。光纤光栅传感器可以克服这些困难,而且能同时测量几个点的超声波场。fisher等人[68]用光纤光栅传感器探测高频(~2 mhz)超声波场,由于在超声波波长比光栅短的情况下,在光栅中形成的驻波导致光栅内应变不均匀,从而影响系统的响应,降低了光栅的效率。他们后来用了一个1 mm长的光纤光栅测量超声波场,使压力分辨率达到~10-3/ hz[69]。目前应用于医学的最高超声波频率为4 mhz,如要测量这种频率的超声波,光栅长度应小于0.5 mm。

光纤光栅应变传感器