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1. 南京大学医学院附属口腔医院儿童口腔科，江苏南京 210000；2. 南京曦光信息科技有限公司，江苏南京 210000；3. 东南大学光传感/光通信综合网络国家（地方）联合工程研究中心，江苏南京 210000

[摘要]基于保偏光纤的温度双折射效应，提出一种高精度、低成本、具有良好互易性的反射式保偏光纤温度传感器（Polarization-Maintaining Fiber Temperature Sensor，PMF-TS）。采用体积小、重量轻的光纤温度探头，可与半导体激光器激光输出光纤集成，组成多功能激光治疗仪探针，通过实时、精确监测靶组织的温度变化，闭环控制半导体激光器的输出能量及脉冲频率，满足体内深度肿瘤组织精准微创激光热疗的应用需求。完成了样机研制及测试，结果表明，PMF-TS的测温分辨率为0.01℃，远优于18B20数字温度传感器及PT100铂电阻温度传感器。经过PMF-TS的闭环控制以后，半导体激光器在-40℃～70℃环境温度范围内，输出功率的波动可以控制在±0.1 W以内。

[关键词]光纤温度传感器；半导体激光器；激光治疗仪；闭环控制

引言

激光技术与临床领域的不断结合，不仅为生命科学开辟了新的研究途径，而且为临床诊断治疗提供了全新的技术手段[1-2]。通过激光照射进行非接触式表面肿瘤治疗，已成为用于食管癌、支气管癌、结直肠癌和膀胱癌凝固、坏死和缓解治疗的公认的医学技术[3-5]。现阶段，医学研究人员正在考虑用激光技术治疗肝脏、胰腺、前列腺甚至脑部的深层肿瘤，这种采用微创手术的体内深度局部间质热疗技术往往是治疗这种肿瘤的唯一有效方法，可显著改善患者治疗的舒适度和生存机会，减少患者术后的恢复时间[6-7]。

半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、功耗低、波长覆盖范围广等特点，激光能量参数可控，可兼容光纤导光，成为近年来国内外临床应用的研究热点[8-10]，几乎覆盖了临床治疗、整形、美容等领域所有其他类型激光器的应用范围。

半导体激光的热效应可以导致组织局部温度升高。组织接受激光辐射后，根据其达到一定温度所持续的时间和峰值，可以呈现出不同的效应：凝结、汽化、碳化和熔融[11]。现有的体内深度激光治疗设备没有准确的靶组织温度探测手段，往往需要凭借术者的操作手法和经验判断来控制激光输出能量及曝光时间，不可避免的会导致靶组织因局部热累计而产生不可逆的热损伤，或者对邻近非靶组织造成损害。

光纤温度传感器具有体积小、重量轻、易集成的优点，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）温度传感器近年来被研究并逐渐应用于激光热疗领域[12-13]。但是FBG光纤温度传感器测温精度低（±0.5℃），解调原理复杂，成本高。本文基于保偏光纤的温度双折射效应，创新性的提出一种新型高精度、低成本、具有良好互易性的反射式保偏光纤温度传感（Polarization Maintaining Fiber Temperature Sensor，PMF-TS）方案[14]。采用125 μm保偏光纤作为测温探头，可与半导体激光光导纤维一起集成进穿刺针，通过实时、精确监测靶组织的温度变化，结合各种治疗参数与靶组织的大小、数量及位置的关系，实时反馈控制半导体激光器的输出能量及脉冲频率，满足体内深度肿瘤组织精准微创间质激光热疗的应用需求。

1 系统架构

1.1 半导体激光器及医疗领域应用状况

半导体二极管激光器体积小、寿命长，其发展大致经历了三个阶段：同质结激光器、异质结激光器和量子阱结构激光器。其中同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲光输出，而双异质结激光器室温时可实现连续光输出。

随着分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）和金属有机化合物化学气相沉积（Metalorganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技术的日渐成熟[15-16]，可以生长出原子尺寸的薄层，使注入的载流子呈现量子效应，进而形成量子阱激光器，其阈值电流密度更低、电光转换效率更高、输出功率更大、波长范围更宽。

随着半导体激光器性能的不断改进，其在应用临床医疗和整形美容领域不断拓展，见表1[17]。

半导体激光治疗仪可将低功率激光辐射通过一根由医学成像技术引导的光纤延伸引入，采用探针直接插入到靶组织中，为体内深度局部间质热疗技术提供一种安全、有效的微创手术手段。然而，因半导体芯片封装结构和工艺的不同，管芯PN结的发热性损耗会导致半导体激光器的输出光波长、谱宽以及强度随环境温度发生变化（图1）。因此，相同的驱动电流并不能保持半导体激光器输出功率的稳定，进而影响激光治疗效果。

图1 半导体激光器的制备工艺及封装

注：a. MBE制备工艺；b. MOCVD制备工艺；c. 半导体激光器样品。

1.2 保偏光纤温度传感器

本文基于保偏光纤的温度双折射效应，创新性的提出一种光纤温度传感器，由宽谱光源、耦合器、起偏器、保偏光纤和传感光纤组成，见图2。宽谱光源发出的光经过起偏器后成为线偏振光，进入保偏光纤，保偏光纤与传感光纤呈45º角熔接，传感光纤的另一端镀有全反射膜，实现对入射光的反射。当环境温度发生变化时，温度双折射效应会改变传感光纤中两本征模的传播常数差，从而导致本征模之间的位相差随温度变化。信号处理单元采用特殊的信号解调、拟合及滤波算法，通过检测因位相差引起的干涉场的能量变化，即可获得温度变化信息。

图2 PMF-TS系统架构

根据系统各模块的传输模型，可得入射到PMF-TS光电探测器的光强信号[14]：

表1 医用半导体激光器的应用状况

其中，δx及δy为传感光纤快、慢轴的相位延迟；Iin为入射光光强。线偏光在x、y 方向上传输的相位差为：

其中，L为传感光纤长度；Δβ为传感光纤x、y方向传播常数差。采用应力型保偏光纤用于温度传感，Δβ在-200ºC～400ºC的范围内与温度成线性关系，温度系数约为10-3量级。

1.3 基于保偏光纤温度传感器的半导体激光治疗仪

为解决半导体激光器输出功率波动问题，本文提出一种基于PMF-TS的闭环控制半导体激光治疗仪方案，见图3。通过对靶组织温度的实时感知闭环反馈控制激光器的输出功率，在精准控制靶组织温度的同时，可更精确的获取破坏所有靶组织所需的治疗参数，如激光功率、曝光时间等，以及各种治疗参数与靶组织的大小、数量及位置的关系。

图3 基于PMF-TS的闭环控制半导体激光治疗仪方案

半导体激光器的驱动电路包括4个部分：基准电压源，恒流源电路，脉冲控制电路和保护电路。其中，稳压电源为半导体激光器提供一个纹波小，毛刺少的稳恒电流，以稳定激光输出功率。

PMF-TS的信号处理模块实时获取激光/温度探头处靶组织的温度信息，送给半导体激光器的反馈控制电路，控制激光器驱动电流的大小，实时调整激光器的输出功率和脉冲频率，并调节探头的移动速度以保持探头处靶组织的温度在预定的治疗温度范围内。

温度传感光纤和激光输出光纤被集成在探针套管内部，温度传感光纤可和探针一起进入靶组织内部，使其能够响应来自组织传导的热量。激光/温度探头与主机之间采用二芯3 mm光缆连接，方便术者操作。

2 试验测试

研制的PMF-TS温度传感探头，见图4。其中测温探头是直径为125 μm的保偏光纤，长度小于5 mm。带护套的900 μm光纤起传输光的作用，长度不受限制。125 μm测温光纤探头可封装在半导体激光治疗仪探针套管内部。图示为采用1 mm铜管封装的探头样品照片。

两个PMF-TS样品在室温环境下的性能测试数据，见图5。可以看出，PMF-TS的响应速度与18B20电子式单线数字温度传感器一致，远优于PT100铂电阻温度传感器。PMF-TS的测温分辨率为0.1ºC，测温精度为±0.2ºC。

图4 PMF-TS温度传感探头

图5 室温环境下PMF-TS性能测试数据

40ºC～70ºC 环境下 PMF-TS的温度性能及可重复性的测试结果，见图6，环境温度变化速率为1ºC/min。由图示可知，PMF-TS能够准确测出变化的环境温度，温度重复性能优越，与18B20的拟合程度较高，测温准确度优于PT100。

图6 变温环境下PMF-TS性能测试数据

为满足激光治疗领域精准温度测量需求，提高PMFTS的稳定性及测试精度，本文基于卡尔曼（Kalman）滤波算法进一步滤除系统噪声，提高测温精度。

Kalman滤波前后，PMF-TS与18B20的常温性能对比测试数据，见图7。由图示可以看出，经过Kalman滤波后，PMF-TS的测温分辨率提高到0.01℃，远优于分辨率为0.06℃的18B20温度传感器。同时，PMF-TS的测温精度提高到了±0.02℃，优于18B20的±0.03℃。

Kalman滤波前后，PMF-TS与18B20的变温性能对比测试数据，见图8。采用手掌同时罩住PMF-TS与18B20测温探头，然后松开。可以看出，两种温度传感器对外界环境温度的微小变化量反映灵敏且迅速，能够满足半导体激光治疗仪的应用需求。

半导体激光器在-40ºC～70ºC环境下，采用PMF-TS实现半导体激光器输出功率闭环控制试验图，见图9。PMFTS探测因激光输出功率变化而导致的靶组织的温度变化，进而反馈控制激光器驱动电流，保证激光器输出功率稳定。

图7 Kalman滤波后PMF-TS常温性能测试

图8 Kalman滤波后PMF-TS变温性能测试

图9 激光器及温度集成探头样机

注：a.置于环境试验箱中的半导体激光器及其驱动电路；b.采用直径为2 mm陶瓷插针封装好的激光器及温度传感探头样品。

经过PMF-TS闭环控制以后，半导体激光器在-40ºC～70ºC环境下，输出功率的波动测试数据，见图10。可以看出，在长达近24 h的连续测试时间内，半导体激光器的输出功率波动可以稳定控制在±0.1 W以内，能够很好的满足半导体激光治疗仪在临床医疗和整形美容领域的精准治疗需求。

图10 半导体激光器闭环功率控制试验数据

3 结论

本文基于保偏光纤的温度双折射效应，设计一种高精度、低成本、具有良好互易性的反射式保偏光纤温度传感器，测温分辨率为0.01ºC，测温精度为±0.1ºC。采用体积小、重量轻的光纤温度探头，可与半导体激光器激光输出光纤集成，组成多功能激光治疗仪探针，通过实时、精确监测靶组织的温度变化，闭环控制半导体激光器的输出能量、脉冲频率及曝光时间，在精准控制靶组织温度的同时，可更精确的获取破坏所有靶组织所需的治疗参数，如激光功率、曝光时间等，以及各种治疗参数与靶组织的大小、数量及位置的关系，满足体内深度肿瘤组织精准微创激光热疗的应用需求。

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A Novel Polarization Maintaining Fiber Temperature Sensor and Its Application in Semiconductor Laser Therapy

DAI Li1, YAO Zhiqing1, ZHAO Jun2,3
1. Department of Pediatric Stomatology, Institute and Hospital of Stomatology, Nanjing University Medical School, Nanjing Jiangsu 210000, China; 2. Nanjing Sunlight Information Technology Co. Ltd., Nanjing Jiangsu 210000, China; 3. OSC Center, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210000, China

Abstract:A reflective polarization-maintaining fiber temperature sensor (PMF-TS) with advantages such as high precision, low cost and good reciprocity was developed based on the temperature birefringence effects of the polarization maintaining optical fi ber. The PMF-TS was small volume, light weight and could be integrated with laser output optical fi ber to consist the probe of the multifunctional laser treatment. Through real-time and accurate monition on the change of the target tissue temperature, the output energy and pulse frequency of semiconductor laser could be closed-loop controlled, which could meet the needs of precise minimally invasive laser thermotherapy for deep vivo tumor tissue. The prototype was developed and tested, and the results showed that the sensor resolution was 0.01℃, which was far better than the 18B20 digital temperature sensor as well as the PT100 platinum resistance temperature sensor. After the closed-loop control, the temperature range semiconductor laser could be controlled in -40℃-70℃, and the fl uctuation of output power for semiconductor laser could be controlled in less than ±0.1 W.

Keywords:optical fi ber temperature sensor; semiconductor laser; laser treatment instrument; closed-loop control

通迅作者：姚志清，主任护师，主要研究方向为口腔颌面外科护理、口腔科临床护理、护理管理。