戴麗，姚志清，趙俊

1. 南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院 兒童口腔科，江蘇 南京 210000；2. 南京曦光信息科技有限公司，江蘇 南京 210000；3. 東南大學(xué) 光傳感/光通信綜合網(wǎng)絡(luò)國(guó)家（地方）聯(lián)合工程研究中心，江蘇 南京 210000

引言

激光技術(shù)與臨床領(lǐng)域的不斷結(jié)合，不僅為生命科學(xué)開辟了新的研究途徑，而且為臨床診斷治療提供了全新的技術(shù)手段[1-2]。通過激光照射進(jìn)行非接觸式表面腫瘤治療，已成為用于食管癌、支氣管癌、結(jié)直腸癌和膀胱癌凝固、壞死和緩解治療的公認(rèn)的醫(yī)學(xué)技術(shù)[3-5]?，F(xiàn)階段，醫(yī)學(xué)研究人員正在考慮用激光技術(shù)治療肝臟、胰腺、前列腺甚至腦部的深層腫瘤，這種采用微創(chuàng)手術(shù)的體內(nèi)深度局部間質(zhì)熱療技術(shù)往往是治療這種腫瘤的唯一有效方法，可顯著改善患者治療的舒適度和生存機(jī)會(huì)，減少患者術(shù)后的恢復(fù)時(shí)間[6-7]。

半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、功耗低、波長(zhǎng)覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，激光能量參數(shù)可控，可兼容光纖導(dǎo)光，成為近年來國(guó)內(nèi)外臨床應(yīng)用的研究熱點(diǎn)[8-10]，幾乎覆蓋了臨床治療、整形、美容等領(lǐng)域所有其他類型激光器的應(yīng)用范圍。

半導(dǎo)體激光的熱效應(yīng)可以導(dǎo)致組織局部溫度升高。組織接受激光輻射后，根據(jù)其達(dá)到一定溫度所持續(xù)的時(shí)間和峰值，可以呈現(xiàn)出不同的效應(yīng)：凝結(jié)、汽化、碳化和熔融[11]?，F(xiàn)有的體內(nèi)深度激光治療設(shè)備沒有準(zhǔn)確的靶組織溫度探測(cè)手段，往往需要憑借術(shù)者的操作手法和經(jīng)驗(yàn)判斷來控制激光輸出能量及曝光時(shí)間，不可避免的會(huì)導(dǎo)致靶組織因局部熱累計(jì)而產(chǎn)生不可逆的熱損傷，或者對(duì)鄰近非靶組織造成損害。

光纖溫度傳感器具有體積小、重量輕、易集成的優(yōu)點(diǎn)，光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）溫度傳感器近年來被研究并逐漸應(yīng)用于激光熱療領(lǐng)域[12-13]。但是FBG光纖溫度傳感器測(cè)溫精度低（±0.5℃），解調(diào)原理復(fù)雜，成本高。本文基于保偏光纖的溫度雙折射效應(yīng)，創(chuàng)新性的提出一種新型高精度、低成本、具有良好互易性的反射式保偏光纖溫度傳感（Polarization Maintaining Fiber Temperature Sensor，PMF-TS）方案[14]。采用125 μm保偏光纖作為測(cè)溫探頭，可與半導(dǎo)體激光光導(dǎo)纖維一起集成進(jìn)穿刺針，通過實(shí)時(shí)、精確監(jiān)測(cè)靶組織的溫度變化，結(jié)合各種治療參數(shù)與靶組織的大小、數(shù)量及位置的關(guān)系，實(shí)時(shí)反饋控制半導(dǎo)體激光器的輸出能量及脈沖頻率，滿足體內(nèi)深度腫瘤組織精準(zhǔn)微創(chuàng)間質(zhì)激光熱療的應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 半導(dǎo)體激光器及醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用狀況

半導(dǎo)體二極管激光器體積小、壽命長(zhǎng)，其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：同質(zhì)結(jié)激光器、異質(zhì)結(jié)激光器和量子阱結(jié)構(gòu)激光器。其中同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時(shí)多為脈沖光輸出，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)光輸出。

隨著分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）和金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（Metalorganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技術(shù)的日漸成熟[15-16]，可以生長(zhǎng)出原子尺寸的薄層，使注入的載流子呈現(xiàn)量子效應(yīng)，進(jìn)而形成量子阱激光器，其閾值電流密度更低、電光轉(zhuǎn)換效率更高、輸出功率更大、波長(zhǎng)范圍更寬。

隨著半導(dǎo)體激光器性能的不斷改進(jìn)，其在應(yīng)用臨床醫(yī)療和整形美容領(lǐng)域不斷拓展，見表1[17]。

半導(dǎo)體激光治療儀可將低功率激光輻射通過一根由醫(yī)學(xué)成像技術(shù)引導(dǎo)的光纖延伸引入，采用探針直接插入到靶組織中，為體內(nèi)深度局部間質(zhì)熱療技術(shù)提供一種安全、有效的微創(chuàng)手術(shù)手段。然而，因半導(dǎo)體芯片封裝結(jié)構(gòu)和工藝的不同，管芯PN結(jié)的發(fā)熱性損耗會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器的輸出光波長(zhǎng)、譜寬以及強(qiáng)度隨環(huán)境溫度發(fā)生變化（圖1）。因此，相同的驅(qū)動(dòng)電流并不能保持半導(dǎo)體激光器輸出功率的穩(wěn)定，進(jìn)而影響激光治療效果。

圖1 半導(dǎo)體激光器的制備工藝及封裝

1.2 保偏光纖溫度傳感器

本文基于保偏光纖的溫度雙折射效應(yīng)，創(chuàng)新性的提出一種光纖溫度傳感器，由寬譜光源、耦合器、起偏器、保偏光纖和傳感光纖組成，見圖2。寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過起偏器后成為線偏振光，進(jìn)入保偏光纖，保偏光纖與傳感光纖呈45o角熔接，傳感光纖的另一端鍍有全反射膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的反射。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度雙折射效應(yīng)會(huì)改變傳感光纖中兩本征模的傳播常數(shù)差，從而導(dǎo)致本征模之間的位相差隨溫度變化。信號(hào)處理單元采用特殊的信號(hào)解調(diào)、擬合及濾波算法，通過檢測(cè)因位相差引起的干涉場(chǎng)的能量變化，即可獲得溫度變化信息。

圖2 PMF-TS系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)各模塊的傳輸模型，可得入射到PMF-TS光電探測(cè)器的光強(qiáng)信號(hào)[14]：

表1 醫(yī)用半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用狀況

其中，δx及δy為傳感光纖快、慢軸的相位延遲；Iin為入射光光強(qiáng)。線偏光在x、y 方向上傳輸?shù)南辔徊顬椋?/p>

其中，L為傳感光纖長(zhǎng)度；Δβ為傳感光纖x、y方向傳播常數(shù)差。采用應(yīng)力型保偏光纖用于溫度傳感，Δβ在-200oC～400oC的范圍內(nèi)與溫度成線性關(guān)系，溫度系數(shù)約為10-3量級(jí)。

1.3 基于保偏光纖溫度傳感器的半導(dǎo)體激光治療儀

為解決半導(dǎo)體激光器輸出功率波動(dòng)問題，本文提出一種基于PMF-TS的閉環(huán)控制半導(dǎo)體激光治療儀方案，見圖3。通過對(duì)靶組織溫度的實(shí)時(shí)感知閉環(huán)反饋控制激光器的輸出功率，在精準(zhǔn)控制靶組織溫度的同時(shí)，可更精確的獲取破壞所有靶組織所需的治療參數(shù)，如激光功率、曝光時(shí)間等，以及各種治療參數(shù)與靶組織的大小、數(shù)量及位置的關(guān)系。

圖3 基于PMF-TS的閉環(huán)控制半導(dǎo)體激光治療儀方案

半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)部分：基準(zhǔn)電壓源，恒流源電路，脈沖控制電路和保護(hù)電路。其中，穩(wěn)壓電源為半導(dǎo)體激光器提供一個(gè)紋波小，毛刺少的穩(wěn)恒電流，以穩(wěn)定激光輸出功率。

PMF-TS的信號(hào)處理模塊實(shí)時(shí)獲取激光/溫度探頭處靶組織的溫度信息，送給半導(dǎo)體激光器的反饋控制電路，控制激光器驅(qū)動(dòng)電流的大小，實(shí)時(shí)調(diào)整激光器的輸出功率和脈沖頻率，并調(diào)節(jié)探頭的移動(dòng)速度以保持探頭處靶組織的溫度在預(yù)定的治療溫度范圍內(nèi)。

溫度傳感光纖和激光輸出光纖被集成在探針套管內(nèi)部，溫度傳感光纖可和探針一起進(jìn)入靶組織內(nèi)部，使其能夠響應(yīng)來自組織傳導(dǎo)的熱量。激光/溫度探頭與主機(jī)之間采用二芯3 mm光纜連接，方便術(shù)者操作。

2 試驗(yàn)測(cè)試

研制的PMF-TS溫度傳感探頭，見圖4。其中測(cè)溫探頭是直徑為125 μm的保偏光纖，長(zhǎng)度小于5 mm。帶護(hù)套的900 μm光纖起傳輸光的作用，長(zhǎng)度不受限制。125 μm測(cè)溫光纖探頭可封裝在半導(dǎo)體激光治療儀探針套管內(nèi)部。圖示為采用1 mm銅管封裝的探頭樣品照片。

兩個(gè)PMF-TS樣品在室溫環(huán)境下的性能測(cè)試數(shù)據(jù)，見圖5。可以看出，PMF-TS的響應(yīng)速度與18B20電子式單線數(shù)字溫度傳感器一致，遠(yuǎn)優(yōu)于PT100鉑電阻溫度傳感器。PMF-TS的測(cè)溫分辨率為0.1oC，測(cè)溫精度為±0.2oC。

圖5 室溫環(huán)境下PMF-TS性能測(cè)試數(shù)據(jù)

40oC～70oC 環(huán)境下 PMF-TS的溫度性能及可重復(fù)性的測(cè)試結(jié)果，見圖6，環(huán)境溫度變化速率為1oC/min。由圖示可知，PMF-TS能夠準(zhǔn)確測(cè)出變化的環(huán)境溫度，溫度重復(fù)性能優(yōu)越，與18B20的擬合程度較高，測(cè)溫準(zhǔn)確度優(yōu)于PT100。

圖6 變溫環(huán)境下PMF-TS性能測(cè)試數(shù)據(jù)

為滿足激光治療領(lǐng)域精準(zhǔn)溫度測(cè)量需求，提高PMFTS的穩(wěn)定性及測(cè)試精度，本文基于卡爾曼（Kalman）濾波算法進(jìn)一步濾除系統(tǒng)噪聲，提高測(cè)溫精度。

Kalman濾波前后，PMF-TS與18B20的常溫性能對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，見圖7。由圖示可以看出，經(jīng)過Kalman濾波后，PMF-TS的測(cè)溫分辨率提高到0.01℃，遠(yuǎn)優(yōu)于分辨率為0.06℃的18B20溫度傳感器。同時(shí)，PMF-TS的測(cè)溫精度提高到了±0.02℃，優(yōu)于18B20的±0.03℃。

Kalman濾波前后，PMF-TS與18B20的變溫性能對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，見圖8。采用手掌同時(shí)罩住PMF-TS與18B20測(cè)溫探頭，然后松開。可以看出，兩種溫度傳感器對(duì)外界環(huán)境溫度的微小變化量反映靈敏且迅速，能夠滿足半導(dǎo)體激光治療儀的應(yīng)用需求。

半導(dǎo)體激光器在-40oC～70oC環(huán)境下，采用PMF-TS實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器輸出功率閉環(huán)控制試驗(yàn)圖，見圖9。PMFTS探測(cè)因激光輸出功率變化而導(dǎo)致的靶組織的溫度變化，進(jìn)而反饋控制激光器驅(qū)動(dòng)電流，保證激光器輸出功率穩(wěn)定。

圖7 Kalman濾波后PMF-TS常溫性能測(cè)試

圖8 Kalman濾波后PMF-TS變溫性能測(cè)試

圖9 激光器及溫度集成探頭樣機(jī)

經(jīng)過PMF-TS閉環(huán)控制以后，半導(dǎo)體激光器在-40oC～70oC環(huán)境下，輸出功率的波動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，見圖10?？梢钥闯?，在長(zhǎng)達(dá)近24 h的連續(xù)測(cè)試時(shí)間內(nèi)，半導(dǎo)體激光器的輸出功率波動(dòng)可以穩(wěn)定控制在±0.1 W以內(nèi)，能夠很好的滿足半導(dǎo)體激光治療儀在臨床醫(yī)療和整形美容領(lǐng)域的精準(zhǔn)治療需求。

圖10 半導(dǎo)體激光器閉環(huán)功率控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文基于保偏光纖的溫度雙折射效應(yīng)，設(shè)計(jì)一種高精度、低成本、具有良好互易性的反射式保偏光纖溫度傳感器，測(cè)溫分辨率為0.01oC，測(cè)溫精度為±0.1oC。采用體積小、重量輕的光纖溫度探頭，可與半導(dǎo)體激光器激光輸出光纖集成，組成多功能激光治療儀探針，通過實(shí)時(shí)、精確監(jiān)測(cè)靶組織的溫度變化，閉環(huán)控制半導(dǎo)體激光器的輸出能量、脈沖頻率及曝光時(shí)間，在精準(zhǔn)控制靶組織溫度的同時(shí)，可更精確的獲取破壞所有靶組織所需的治療參數(shù)，如激光功率、曝光時(shí)間等，以及各種治療參數(shù)與靶組織的大小、數(shù)量及位置的關(guān)系，滿足體內(nèi)深度腫瘤組織精準(zhǔn)微創(chuàng)激光熱療的應(yīng)用需求。