Биомедицинские оптоволоконные датчики температуры и давления

В последнее годы растёт интерес к новым разработкам лазерной техники для хирургии и онкологии. Этому способствуют достижения в области полупроводниковых лазеров, волоконных лазеров и современных оптоволоконных технологий. Широкое внедрение новых разработок в клинику станет в полной мере оправданным с использованием средств, позволяющих осуществлять мониторинг изменения состояния биологической ткани, подвергаемой лазерному или иному воздействию. Одним из таких средств контроля могут быть волоконно- оптические датчики (ВОД). По принципу действия ВОД разделяют на интерференционные (Фабри — Перо, Маха — Цандера и др.), распределённые (обратное и прямое рассеяние), люминесцентные, на вну- триволоконных решётках и комбинированные.

Простой схемой реализации ВОД является использование одножильного оптического волокна как для посылки излучения на исследуемую биоткань, так и для обратной передачи излучения от биоткани. Например, это катетеры с оптическим волокном диагностического (или терапевтического) назначения. Излучение источника передаётся оптоволокном через катетер, введённый во внутрь сосуда. Излучение, испускаемое оконечным участком оптического волокна, отражается стенкой сосуда, воспринимается оптическим волокном и передаётся для анализа в устройство обработки данных для последующей диагностики. Аналогичные схемы ВОД реализуются и в люминесцентных методах медицинской диагностики. Другой схемой реализации ВОД является конструкция с элементом на торце оптического волокна, чувствительным к изменению температуры, давления или иных параметров.

Зарубежные производители выпускают несколько видов ВОД для измерения температуры в биомедицинских исследованиях. Фирма «LumaSense Technologies» (США) предлагает ВОД температуры на основе люминесцентного термочувствительного элемента (на выходном торце оптического волокна). Импульс излучения светодиода возбуждает флуоресцентное свечение чувствительного элемента. По времени затухания свечения, которое зависит от степени нагрева элемента, определяется температура. Изделие марки STB выполнено на кварц-кварцевом оптическом волокне (0 200 мк сердцевина, 0 240 мк оболочка), имеет тефлоновое первичное защитное покрытие (толщина 130 мк) оптического волокна и чувствительного элемента. ВОД марки STB функционирует с преобразователем сигнала тЗЗОО, обеспечивающим до 4 каналов регистрации температуры. Рабочий диапазон измеряемых температур — 0...120 °С, точность измерения в некалиброванном режиме работы — ±2 °С. При калибровке точность составляет ±0,5 °С для температур 0...50 °С.

Фирма «Fiso Technologies Inc.» (Канада) выпускает ВОД температуры интерференционного типа. ВОД имеет миниатюрную кремниевую мембрану, являющуюся зеркалом интерферометра Фабри — Перо. С изменением температуры мембрана отклоняется, изменяя длину резонатора интерферометра. Изделие марки FOT-M имеет двухметровое оптическое волокно, на оконечном участке которого расположена чувствительная зона протяжённостью 6,5 мм. Конструкция помещена в полиамидную трубку с наружным диаметром 0,8 мм. ВОД функционирует с преобразователем сигнала FTI-10 в диапазоне измеряемых температур 20...85 °С, точность измерений составляет ±0,2 °С.

Фирма «Opsens» (Канада) выпускает ВОД температуры интерферометрического (поляризационного) типа. В изделии ОТР-М чувствительным элементом является двулучепреломляющий кристалл, характеристики которого изменяются с температурой (рис. 7.24). Кристалл заключён между линейным поляризатором и диэлектрическим зеркалом. Датчик позволяет измерять температуры в диапазоне 0...85 °С. Достоинством ВОД этого типа является стабильность во времени характеристик двулучепреломления кристалла. Точность измерения ±0,15 °С заявлена только для калиброванного диапазона 20...45 °С. Кристалл длиной 3 мм расположен на оконечном участке оптического волокна в защитной оболочке (диаметр поперечного сечения 0 1,8 мм).

Выходной участок ВОД температуры ОТР-М

Рис. 7.24. Выходной участок ВОД температуры ОТР-М

Производитель предлагает и более миниатюрные ВОД температуры неинтерференционного типа с чувствительным элементом 0 0,17 мм на оконечном торце оголённого оптического волокна (рис. 7.25). В изделии OTG-M чувствительным элементом служит полупроводниковый кристалл GaAs. Точность измерения температуры в диапазоне

20...45 °С составляет ±0,3 °С (±0,8 °С для более высоких температур). Излучение источника света на выходе оптического волокна попадает на GaAs-кристалл.

Часть излучения, определяемая шириной запрещённой зоны полупроводникового кристалла, пропускается и отражается обратно диэлектрическим зеркалом, напылённым на торец кристалла. Оптоволоконная система передает отраженное излучение на спектроанализатор преобразователя сигнала. Ширина запрещённой зоны зависит от температуры, из анализа изменения спектрального распределения отражённого излучения вычисляется температура кристалла. Выпускается шесть модификаций изделий OTG-M, имеющих различные размеры сенсора.

ВОД температуры OTG-M

Рис. 7.25. ВОД температуры OTG-M

Разработки ВОД температуры предложены фирмами «RJC Enterprises» (США) и «Neoptix» (Канада).

Фирмы «Opsens», «Fiso Technologies Inc.» и «RJC Enterprises» выпускают также ВОД для измерения давления (интерференционного типа). В изделии FOP-F125 («Fiso Technologies Inc.») миниатюрная оконечная часть ВОД, чувствительная к изменению давления, имеет диаметр поперечного сечения 0,125 мм, световедущая часть оптического волокна заключена в тефлоновую оболочку (0 1,0 мм). Точность измерения составляет ±5 мм рт. ст. для диапазона давлений — 25... 125 мм рт. ст. Фирма «Opsens» предлагает датчик ОРР-М с оконечной частью, чувствительной к изменению давления, и диаметром поперечного сечения 0,250 мм. Применяется схема интерферометра Фабри — Перо с мембраной. При точности измерения ±2 мм рт. ст. диапазон измеряемых давлений составляет 50...+300 мм рт. ст. ВОД марки «model 60» («RJC Enterprises») имеет диапазон измеряемых давлений 500...1100 мм рт. ст. Фирма «Samba Sensors» (Швеция) предлагает ВОД давления «Preclin 360» с диаметром поперечного сечения чувствительной части 0,36 и 0,42 мм, разработаны модификации инструмента для урологии, гинекологии и гастрологии с различной длиной выходного участка оголённого оптического волокна.

Фирма «Endosense» (Швейцария) проводит апробацию катетера «Tacticath» с ВОД, который предназначен для лазерной или радиочастотной абляции при лечении фибрилляции предсердий и позволяет регистрировать силу давления торца инструмента (0 3,5 мм) на биоткань. Чувствительным участком датчика являются брэгговские вну- триволоконные решётки, дистальные участки трёх оптических волокон соединены с деформируемой торцевой частью инструмента. Компания

«MAQUET» (США) выпускает аппарат внутриаортальной баллонной контрпульсации CS300. Методика заключается во внутриартериальном введении баллончика, раздувание и сдувание которого поддерживает насосную функцию сердца. Аппарат снабжён баллонным катетером с ВОД, обеспечивающим регистрацию внутриартериального давления на монитор. Предусмотрена автоматическая калибровка ВОД in vivo и рекалибровка при изменении условий выполнения контрпульсации.

Основные характеристики отдельных зарубежных ВОД температуры и давления представлены в таблице 7.3. В России разрабатываются различные типы ВОД — с термочувствительным элементом из стекла (активированного иттербием), из полупроводника (монокристалличе- ского кремния) и др.

На рисунке 7.26 изображена принципиальная схема волоконного инструмента для лазерной внутривенной коагуляции. Волоконный инструмент имеет гибкую трубку 1, оптическое волокно 2 (передающее излучение для коагуляции биоткани), оптическое волокно 3 с термочувствительным элементом, термочувствительный элемент 4, втулку 5 со сквозным отверстием, соосным линзе 6 на оправке 7. Полая трубка 1 выполнена из фторопласта марки «Tefzel», совместимого с биотканью, наружный и внутренний диаметр трубки соответственно равен 3,0 и 2,4 мм. Использовалось оптическое волокно 2 типа кварц-полимер со световедущей жилой диаметром 0,4 мм и два оптических волокна 3 типа кварц-кварц со световедущей жилой диаметром 0,1 мм. Модель волоконного инструмента для лазерной коагуляции может найти применение в флебологии, при оперативных вмешательствах для лечения варикозного расширения большой подкожной вены ноги.

На рисунке 7.27 представлена принципиальная схема катетера с ВОД для оперативной эндоскопии. Конструкция имеет гибкую трубку 2, оптическое волокно 3 для лазерного воздействия, оптическое волокно 1 с термочувствительным элементом 4, втулку 5 с осевым каналом 6. Во внеосевом канале 7 расположен с возможностью перемещения оконечный участок оптического волокна 1 с термочувствительным элементом.

Катетер вводится через полый канал эндоскопа. Безопасный ввод катетера с ВОД во внутреннюю полость органа тела человека выполняется при утопленном оконечном участке оптического волокна 1 во внутрь втулки 5. Последнее исключает риск травмирования стенки органа. Перед облучением выходной торец катетера подводится к участку облучения, а оптическое волокно 1 с чувствительным элементом 4 выдвигается из внеосевого канала 7 в окрестность зоны облучения до контакта с биотканью. После облучения оконечный участок оптического волокна с чувствительным элементом перемещается внутрь втулки 5, а катетер выводится из эндоскопа. Измерение температуры биоткани позволяет устранить перегрев биоткани при лазерном облучении. Дополнительное использование в катетере двух и более внеосевых каналов позволяет измерять температуру в нескольких

Волоконно-оптические датчики температуры и давления для биомедицины

Марка

датчика

Диапазон измерений

Точность

Разрешение

Размер сенсора, мм

Время отклика, с

Фирма

model 120

15...55 °C

±0,1 °C

0,02 °C

0,3

RJC [13]

FOT-L-SD

-40...300 °C 20...85 °C

±1 °C ±0,5 °C

0,1 °C

6,5 x 1,7

<1,5

Fiso Techn. Inc. [10]

FOT-L-BA

-40...250 °C

±1 °C

6,5 x 0,8

<0,5

FOT-M

  • 20.. .85 °C
  • 36.. .41 °C

±0,2 °C ±0,1 °C

0,1 °C 0,01 °C

< 6,5 x 0,8

< 0,75

STB

0... 120 °C вблизи 50 °C

±2 °C ±0,5 °C

0,01 °c

0,5

0,25

Luma Sence Techn. [11]

MedFP

0...120 °C

±2 °C

0,1 °c

0,5

0,25

model T1

-272...+250 °C

±0,8 °C ±0,2 °C

0 0,4

  • 0,035
  • 0,5

Neoptix

[14]

OTP-M

20...45 °C 0...85 °C

±0,15 °C

0,01 °c

3

<1

Opsens

[9]

OTG-M

20...45 °C > 45 °C

±0,3 °C ±0,8 °C

0,05 °C

  • 0,17
  • 0,28...0,6 3,0

< 0,01 < 0,22 1,5

OTG-MPK

20...45 °C > 45 °C

±0,3 °C ±0,8 °C

0,5; 0,8

<0,55

OPP-M25

-50...300 мм рт. ст.

±2 мм рт. CT.

0,5 мм рт. ст.

0,25

Марка

датчика

Диапазон измерений

Точность

Разрешение

Размер сенсора, мм

Время отклика, с

Фирма

ОРР-М40

±1 мм рт. ст.

0,2 мм рт. ст.

0,40

Preclin 360

-37...262 мм рт. ст. -75...7500 мм рт. ст.

±0,75 мм рт. ст. ±22 мм рт. ст.

0 0,36

Samba Sensors [12]

FOP-F125

±300 мм рт. ст. -25...125 мм рт. ст.

±8 мм рт.ст. ±5 мм рт. ст

< 0,4 мм рт. ст.

0,125

Fiso Techn. Inc. [10]

FOP-M260

+300 мм рт. ст.

< 2 мм рт. ст.

< 0,1 мм рт. ст.

0,260

FOP-MIV

±300 мм рт. ст.

-300...7500 мм рт. ст.

±1 мм рт. ст. ±8 мм рт. ст

< 0,3 мм рт. ст. 2,6 мм рт. ст.

0,515

model 60

500...1100 мм рт. ст.

< 0,1 мм рт. ст.

0,3

RJC [13]

участках биоткани, что исключает возможность перегрева близлежащей к зоне облучения биоткани. На оконечный участок торца оптических волокон 1 привариваются термочувствительные элементы 4 из монокристаллического кремния с поперечным размером до 0,12 х х 0,12 мм2. Металлическая втулка 5 имеет осевой канал диаметром 0,75 мм (для размещения выходного участка оптического волокна 3) и внеосевые каналы, расположенные диаметрально противоположно, диаметром около 1,2 мм для размещения термочувствительного элемента 4 оконечного участка оптического волокна 1. Использование чувствительных элементов из кремния обеспечивает регистрацию температуры с точностью измерения ±0,2 °С в диапазоне температур

40...110°С. Предлагаемая конструкция катетера с ВОД может функционировать с гастрофиброскопом «Olympus GIF-ХТЗО», имеющим операционный канал с диаметром поперечного сечения 6,0 мм.

Принципиальная схема волоконного инструмента для лазерной внутривенной коагуляции

Рис. 7.26. Принципиальная схема волоконного инструмента для лазерной внутривенной коагуляции

Принципиальная схема катетера с ВОД для оперативной эндоскопии

Рис. 7.27. Принципиальная схема катетера с ВОД для оперативной эндоскопии

К настоящему времени ВОД положительно зарекомендовали себя в различных биомедицинских исследованиях. ВОД используются для локальной лазерной гипертермии в онкологии, радиочастотной и микроволновой термической абляции и при томографических исследованиях внутренних органов тела человека. В медицинской эндоскопии предложен хирургический инструмент с ВОД давления, инструменты такого рода перспективны для задач микрохирургии. В кардиохирургии и других областях разрабатываются катетеры с ВОД давления, в флебологии возможна апробация ВОД для внутрисосудистого контроля температуры коагуляции вен при варикозе. Отдельные разработки ВОД весьма миниатюрны, имеют внешний диаметр рабочей части менее 0,2 мм, что открывает возможность их применения в составе имплантируемых медицинских устройств и миниатюрного инструментария, например для задач нейрохирургии. Кроме того, исследователи могут использовать ряд коммерческих ВОД как базовую основу для биомедицинского инструмента различного назначения. К клинической апробации ВОД предъявляются определённые требования по дезинфекции (или более жёсткие условия по стерилизации инструмента). Например, ВОД температуры «Med FP» (табл. 7.3) выдерживает однократную 30-минутную стерилизацию (при температуре паров 121 °С), следовательно, инструмент является для отдельных назначений одноразовым. Необходимо также учитывать, что законодательство ограничивает продажу указанных датчиков по врачебным требованиям. Часть производителей указывают на отсутствие разрешения на использование ВОД в качестве медицинского инструмента. В этих случаях сертифицирование инструмента и получение разрешения на клиническое применение являются обязанностью заказчика продукции.

Развитие коммерческого рынка и обзор научных публикаций свидетельствуют о росте интереса к применению достаточно миниатюрных ВОД температуры и давления в биомедицинских задачах. Основным препятствием внедрения новой аппаратуры с ВОД остаются относительно высокая стоимость и продолжительный цикл разработки и освоения. Тем не менее уже существуют реальные наукоёмкие продукты (например, аппарат CS300, инструмент «Tacticath» и др.). Успехи в создании малогабаритных волоконных лазеров и прогресс в новейших оптоволоконных технологиях послужат дальнейшему внедрению ВОД в практику медицинского приборостроения.

Вопросы и упражнения к главе 7

  • 1. Опишите виды помех и методы их подавления при измерении частоты пульса.
  • 2. Перечислите основные отличия PIN-диода от обычного диода.
  • 3. С какой целью в измерительных схемах на фотодиод подаётся запирающее напряжение?
  • 4. В каком режиме должен работать фотодиод датчика при снятии фото- плетизмограммы?
  • 5. Через сколько кардиоциклов изменяются показания на цифровом табло индикатора частоты пульса?
  • 6. Сколько светоизлучающих диодов содержит датчик пульсоксиметра?
  • 7. Сколько фотоприёмников содержит датчик пульсоксиметра?
  • 8. Каким способом разделяют каналы «красного» и «инфракрасного» в пуль- соксиметрах?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >