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光纤光栅传感器应用于医疗领域

医用传感器是应用于生物医学领域的传感器,通过医用传感器可将人体的生理信号转换为易读取的数字图像信息,是医生用于诊断治疗的重要工具。由于医用传感器应用于人体,所以医用传感器的设计和应用须考量生物信号的特殊性和复杂性,兼顾生物相容性、可靠性和安全性。近年
来,研究人员发现光纤光栅的特性能满足医用传感器的特殊需求,故大量基于光纤光栅的医用传感器被研究人员提出。因此,有必要通过先容光纤光栅基本传感原理,分析光纤光栅传感器的应用特点,综述其在心脏监测、呼吸监测、体温监测、超声领域和外科医疗等医疗设备领域的应用进展。

由于医疗设备应用于人体,要符合人体各种复杂的生理结构特性,而光纤光栅传感器的特点可满足医疗设备领域传感器的特殊要求。光纤光栅的特性可确保光纤光栅实际使用的安全性,非常适用于医疗设备传感领域。

光纤光栅在医疗设备领域应用分析

心脏监测领域应用

心脏效率是心脏监护重要参数之一,1997年一种用于测量心脏效率的光纤光栅传感器被提出。该测量方法中,使用者将定向热稀释导管插入被测者的右心房,同时注射一种冷冻液,通过测量被测者肺动脉血液的温度和脉动率,最终实现对心脏泵血量测量。
种光纤光栅传感器用于测量人体心音和心跳频率,光纤光栅作为传感头封装在纺织物中,当纺织物紧贴人的身体时,心音和心跳作用于光纤光栅传感头上,实现声音-应变-光信号的调制过程,最终通过监测中心变化,实现对人体的心音和心跳频率的传感。

呼吸监测领域应用

一种基于光纤光栅的呼吸监测系统,将光纤光栅应变传感器通过弹性胶带固定于被测者胸部,传感器通过监测胸腔变化实现对呼吸过程频谱的测量。在使用高压电极帮助患者人工呼吸的过程中,通常使用高压放电刺激隔膜神经帮助患者呼吸,故患者胸部需装有高压电极,普通电类传感器并不适用于此高压环境,而光纤光栅具有抗高压干扰特性,所以基于光纤光栅传感器可用于此高压环境,在此类使用高压电极帮助患者人工呼吸的过程中,用于控制高压放电的触发,实现对患者呼吸情况的实时监护。
研发一种可穿戴式传感器系统,用于实时监护使用者呼吸情况。该传感器使用光纤光栅缝合于纺织物中,将纺织物穿戴于使用者胸部和腹部,通过监测胸部和腹部压力变化,实现对实时呼吸运动监测。该穿戴式传感器便于医疗机构工作人员对使用者呼吸情况进行实时监测。

超声领域应用

某研究单位基于光纤光栅传感器探测超声波场。提出一个1 mm长的光纤光栅作为传感头,测量2 MHz高频超声波场,压力分辨能力达到10-3Hz。

【以上参数为参考,不作为本企业实际产品参数】

医用设备中有较多超声诊断设备,如超声波碎石、超声波热疗及超声波外科等。超声波设备使用时,其输出功率通常需用传感器进行实时监测,而常规的压电装置对电磁场敏感,但探头尺寸与之不匹配,无法准确测量体内的超声波场。光纤光栅传感器具有尺寸小,抗电磁干扰等特点,适用于医用超声诊断设备的传感,可实现超声波场的多点测量。

温度监测领域应用

应用于监控核磁共振机实际温度的光纤光栅温度传感系统,该系统传感头由4个光纤光栅串联而成,使用过程中将传感头置于核磁共振机的容器中,容器的磁场值为4.7 T,使用25 m长的光纤连接探头和解调仪,传感系统的温度分辨能力为0.1 ℃,精度为±0.5 ℃,测量范围25~60 ℃。该传感系统充分体现光纤光栅传感器抗电磁干扰的优势,实现传统热电偶传感器无法应用于强磁场环境的温度监测。【以上参数为参考,不作为本企业实际产品参数】

 

新型的医用温度传感光纤光栅传感系统,应用于医用热疗过程中的温度监测。

该传感系统温度测量结果与传统热电偶传感器的温度测量结果一致,其分辨能力为0.1 ℃,精度为±0.2 ℃,测量范围为30~60 ℃。光纤光栅传感器稳定的物理特性十分适合将其应用于一些检测环境较为复杂的医疗领域。【以上参数为参考,不作为本企业实际产品参数】

通过光纤光栅基本传感原理,光纤光栅传感器体积小、重量轻、抗腐蚀、耐高温高压、抗磁场干扰、灵敏度高及准确度高等应用特点,总结了光纤光栅传感器在心脏监测、呼吸监测、体温监测、超声领域和外科医疗等医疗设备领域的应用情况。然而,光纤光栅传感器在实际医疗设备领域的应用还需考量医疗应用实际复杂性和特殊性,而目前大部分研究仅停留于实验室研究阶段,相信随着研究人员投入更多的研究与实验,必将研发出能真正应用于医疗设备领域的光纤光栅医用传感器。

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