光纖光柵傳感器應用于醫(yī)療領域

醫(yī)用傳感器是應用于生物醫(yī)學領域的傳感器，通過醫(yī)用傳感器可將人體的生理信號轉換為易讀取的數(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)用傳感器應用于人體，所以醫(yī)用傳感器的設計和應用須考量生物信號的特殊性和復雜性，兼顧生物相容性、可靠性和安全性。近年
來，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，有必要通過介紹光纖光柵基本傳感原理，分析光纖光柵傳感器的應用特點，綜述其在心臟監(jiān)測、呼吸監(jiān)測、體溫監(jiān)測、超聲領域和外科醫(yī)療等醫(yī)療設備領域的應用進展。

由于醫(yī)療設備應用于人體，要符合人體各種復雜的生理結構特性，而光纖光柵傳感器的特點可滿足醫(yī)療設備領域傳感器的特殊要求。光纖光柵的特性可確保光纖光柵實際使用的安全性，非常適用于醫(yī)療設備傳感領域。

光纖光柵在醫(yī)療設備領域應用分析

心臟監(jiān)測領域應用

心臟效率是心臟監(jiān)護重要參數(shù)之一，1997年一種用于測量心臟效率的光纖光柵傳感器被提出。該測量方法中，使用者將定向熱稀釋導管插入被測者的右心房，同時注射一種冷凍液，通過測量被測者肺動脈血液的溫度和脈動率，最終實現(xiàn)對心臟泵血量測量。
種光纖光柵傳感器用于測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，當紡織物緊貼人的身體時，心音和心跳作用于光纖光柵傳感頭上，實現(xiàn)聲音-應變-光信號的調制過程，最終通過監(jiān)測中心變化，實現(xiàn)對人體的心音和心跳頻率的傳感。

呼吸監(jiān)測領域應用

一種基于光纖光柵的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，將光纖光柵應變傳感器通過彈性膠帶固定于被測者胸部，傳感器通過監(jiān)測胸腔變化實現(xiàn)對呼吸過程頻譜的測量。在使用高壓電極幫助患者人工呼吸的過程中，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程中，用于控制高壓放電的觸發(fā)，實現(xiàn)對患者呼吸情況的實時監(jiān)護。
研發(fā)一種可穿戴式傳感器系統(tǒng)，用于實時監(jiān)護使用者呼吸情況。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，通過監(jiān)測胸部和腹部壓力變化，實現(xiàn)對實時呼吸運動監(jiān)測。該穿戴式傳感器便于醫(yī)療機構工作人員對使用者呼吸情況進行實時監(jiān)測。

超聲領域應用

某研究單位基于光纖光柵傳感器探測超聲波場。提出一個1 mm長的光纖光柵作為傳感頭，測量2 MHz高頻超聲波場，壓力分辨能力達到10-3Hz。

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

醫(yī)用設備中有較多超聲診斷設備，如超聲波碎石、超聲波熱療及超聲波外科等。超聲波設備使用時，其輸出功率通常需用傳感器進行實時監(jiān)測，而常規(guī)的壓電裝置對電磁場敏感，但探頭尺寸與之不匹配，無法準確測量體內的超聲波場。光纖光柵傳感器具有尺寸小，抗電磁干擾等特點，適用于醫(yī)用超聲診斷設備的傳感，可實現(xiàn)超聲波場的多點測量。

溫度監(jiān)測領域應用

應用于監(jiān)控核磁共振機實際溫度的光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)傳感頭由4個光纖光柵串聯(lián)而成，使用過程中將傳感頭置于核磁共振機的容器中，容器的磁場值為4.7 T，使用25 m長的光纖連接探頭和解調儀，傳感系統(tǒng)的溫度分辨能力為0.1 ℃，精度為±0.5 ℃，測量范圍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，實現(xiàn)傳統(tǒng)熱電偶傳感器無法應用于強磁場環(huán)境的溫度監(jiān)測?！疽陨蠀?shù)為參考，不作為本公司實際產(chǎn)品參數(shù)】

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

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

通過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、抗磁場干擾、靈敏度高及準確度高等應用特點，總結了光纖光柵傳感器在心臟監(jiān)測、呼吸監(jiān)測、體溫監(jiān)測、超聲領域和外科醫(yī)療等醫(yī)療設備領域的應用情況。然而，光纖光柵傳感器在實際醫(yī)療設備領域的應用還需考量醫(yī)療應用實際復雜性和特殊性，而目前大部分研究僅停留于實驗室研究階段，相信隨著研究人員投入更多的研究與實驗，必將研發(fā)出能真正應用于醫(yī)療設備領域的光纖光柵醫(yī)用傳感器。