光纖光柵傳感器應用于醫療領域

醫用傳感器是應用于生物醫學領域的傳感器，通過醫用傳感器可將人體的生理信號轉換為易讀取的數字圖像信息，是醫生用于診斷治療的重要工具。由于醫用傳感器應用于人體，所以醫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，研究人員發現光纖光柵的特性能滿足醫用傳感器的特殊需求，故大量基于光纖光柵的醫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，綜述其在心臟監測、呼吸監測、體溫監測、超聲領域和外科醫療等醫療設備領域的應用進展。

由于醫療設備應用于人體，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，非常適用于醫療設備傳感領域。

光纖光柵在醫療設備領域應用分析

心臟監測領域應用

心臟效率是心臟監護重要參數之一，1997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，實現聲音-應變-光信號的調制過程，最終通過監測中心變化，實現對人體的心音和心跳頻率的傳感。

呼吸監測領域應用

一種基于光纖光柵的呼吸監測系統，將光纖光柵應變傳感器通過彈性膠帶固定于被測者胸部，傳感器通過監測胸腔變化實現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，實現對患者呼吸情況的實時監護。
研發一種可穿戴式傳感器系統，用于實時監護使用者呼吸情況。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，通過監測胸部和腹部壓力變化，實現對實時呼吸運動監測。該穿戴式傳感器便于醫療機構工作人員對使用者呼吸情況進行實時監測。

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。

【以上參數為參考，不作為本公司實際產品參數】

醫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測，而常規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，適用于醫用超聲診斷設備的傳感，可實現超聲波場的多點測量。

溫度監測領域應用

應用于監控核磁共振機實際溫度的光纖光柵溫度傳感系統，該系統傳感頭由4個光纖光柵串聯而成，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 ℃。該傳感系統充分體現光纖光柵傳感器抗電磁干擾的優勢，實現傳統熱電偶傳感器無法應用于強磁場環境的溫度監測。【以上參數為參考，不作為本公司實際產品參數】

 

新型的醫用溫度傳感光纖光柵傳感系統，應用于醫用熱療過程中的溫度監測。

該傳感系統溫度測量結果與傳統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 ℃。光纖光柵傳感器穩定的物理特性十分適合將其應用于一些檢測環境較為復雜的醫療領域。【以上參數為參考，不作為本公司實際產品參數】

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測、呼吸監測、體溫監測、超聲領域和外科醫療等醫療設備領域的應用情況。然而，光纖光柵傳感器在實際醫療設備領域的應用還需考量醫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，必將研發出能真正應用于醫療設備領域的光纖光柵醫用傳感器。