光纖光柵傳感器應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域

醫(yī)用傳感器是應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的傳感器，通過(guò)醫(yī)用傳感器可將人體的生理信號(hào)轉(zhuǎn)換為易讀取的數(shù)字圖像信息，是醫(yī)生用于診斷治療的重要工具。由于醫(yī)用傳感器應(yīng)用于人體，所以醫(yī)用傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用須考量生物信號(hào)的特殊性和復(fù)雜性，兼顧生物相容性、可靠性和安全性。近年
來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)光纖光柵的特性能滿足醫(yī)用傳感器的特殊需求，故大量基于光纖光柵的醫(yī)用傳感器被研究人員提出。因此，有必要通過(guò)介紹光纖光柵基本傳感原理，分析光纖光柵傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)，綜述其在心臟監(jiān)測(cè)、呼吸監(jiān)測(cè)、體溫監(jiān)測(cè)、超聲領(lǐng)域和外科醫(yī)療等醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

由于醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用于人體，要符合人體各種復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)特性，而光纖光柵傳感器的特點(diǎn)可滿足醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域傳感器的特殊要求。光纖光柵的特性可確保光纖光柵實(shí)際使用的安全性，非常適用于醫(yī)療設(shè)備傳感領(lǐng)域。

光纖光柵在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用分析

心臟監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用

心臟效率是心臟監(jiān)護(hù)重要參數(shù)之一，1997年一種用于測(cè)量心臟效率的光纖光柵傳感器被提出。該測(cè)量方法中，使用者將定向熱稀釋導(dǎo)管插入被測(cè)者的右心房，同時(shí)注射一種冷凍液，通過(guò)測(cè)量被測(cè)者肺動(dòng)脈血液的溫度和脈動(dòng)率，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)心臟泵血量測(cè)量。
種光纖光柵傳感器用于測(cè)量人體心音和心跳頻率，光纖光柵作為傳感頭封裝在紡織物中，當(dāng)紡織物緊貼人的身體時(shí)，心音和心跳作用于光纖光柵傳感頭上，實(shí)現(xiàn)聲音-應(yīng)變-光信號(hào)的調(diào)制過(guò)程，最終通過(guò)監(jiān)測(cè)中心變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的心音和心跳頻率的傳感。

呼吸監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用

一種基于光纖光柵的呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將光纖光柵應(yīng)變傳感器通過(guò)彈性膠帶固定于被測(cè)者胸部，傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)胸腔變化實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸過(guò)程頻譜的測(cè)量。在使用高壓電極幫助患者人工呼吸的過(guò)程中，通常使用高壓放電刺激隔膜神經(jīng)幫助患者呼吸，故患者胸部需裝有高壓電極，普通電類傳感器并不適用于此高壓環(huán)境，而光纖光柵具有抗高壓干擾特性，所以基于光纖光柵傳感器可用于此高壓環(huán)境，在此類使用高壓電極幫助患者人工呼吸的過(guò)程中，用于控制高壓放電的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者呼吸情況的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。
研發(fā)一種可穿戴式傳感器系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)使用者呼吸情況。該傳感器使用光纖光柵縫合于紡織物中，將紡織物穿戴于使用者胸部和腹部，通過(guò)監(jiān)測(cè)胸部和腹部壓力變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)呼吸運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。該穿戴式傳感器便于醫(yī)療機(jī)構(gòu)工作人員對(duì)使用者呼吸情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

超聲領(lǐng)域應(yīng)用

某研究單位基于光纖光柵傳感器探測(cè)超聲波場(chǎng)。提出一個(gè)1 mm長(zhǎng)的光纖光柵作為傳感頭，測(cè)量2 MHz高頻超聲波場(chǎng)，壓力分辨能力達(dá)到10-3Hz。

【以上參數(shù)為參考，不作為本公司實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)】

醫(yī)用設(shè)備中有較多超聲診斷設(shè)備，如超聲波碎石、超聲波熱療及超聲波外科等。超聲波設(shè)備使用時(shí)，其輸出功率通常需用傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而常規(guī)的壓電裝置對(duì)電磁場(chǎng)敏感，但探頭尺寸與之不匹配，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量體內(nèi)的超聲波場(chǎng)。光纖光柵傳感器具有尺寸小，抗電磁干擾等特點(diǎn)，適用于醫(yī)用超聲診斷設(shè)備的傳感，可實(shí)現(xiàn)超聲波場(chǎng)的多點(diǎn)測(cè)量。

溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用

應(yīng)用于監(jiān)控核磁共振機(jī)實(shí)際溫度的光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)傳感頭由4個(gè)光纖光柵串聯(lián)而成，使用過(guò)程中將傳感頭置于核磁共振機(jī)的容器中，容器的磁場(chǎng)值為4.7 T，使用25 m長(zhǎng)的光纖連接探頭和解調(diào)儀，傳感系統(tǒng)的溫度分辨能力為0.1 ℃，精度為±0.5 ℃，測(cè)量范圍25～60 ℃。該傳感系統(tǒng)充分體現(xiàn)光纖光柵傳感器抗電磁干擾的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)熱電偶傳感器無(wú)法應(yīng)用于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境的溫度監(jiān)測(cè)?！疽陨蠀?shù)為參考，不作為本公司實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)】

 

新型的醫(yī)用溫度傳感光纖光柵傳感系統(tǒng)，應(yīng)用于醫(yī)用熱療過(guò)程中的溫度監(jiān)測(cè)。

該傳感系統(tǒng)溫度測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)熱電偶傳感器的溫度測(cè)量結(jié)果一致，其分辨能力為0.1 ℃，精度為±0.2 ℃,測(cè)量范圍為30～60 ℃。光纖光柵傳感器穩(wěn)定的物理特性十分適合將其應(yīng)用于一些檢測(cè)環(huán)境較為復(fù)雜的醫(yī)療領(lǐng)域?！疽陨蠀?shù)為參考，不作為本公司實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)】

通過(guò)光纖光柵基本傳感原理，光纖光柵傳感器體積小、重量輕、抗腐蝕、耐高溫高壓、抗磁場(chǎng)干擾、靈敏度高及準(zhǔn)確度高等應(yīng)用特點(diǎn)，總結(jié)了光纖光柵傳感器在心臟監(jiān)測(cè)、呼吸監(jiān)測(cè)、體溫監(jiān)測(cè)、超聲領(lǐng)域和外科醫(yī)療等醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用情況。然而，光纖光柵傳感器在實(shí)際醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用還需考量醫(yī)療應(yīng)用實(shí)際復(fù)雜性和特殊性，而目前大部分研究?jī)H停留于實(shí)驗(yàn)室研究階段，相信隨著研究人員投入更多的研究與實(shí)驗(yàn)，必將研發(fā)出能真正應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的光纖光柵醫(yī)用傳感器。