CN108577964A - 半导体激光治疗仪、控制方法和温度信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体激光治疗仪，包括主机、激光/温度集成型穿刺针以及传输光缆；所述偏振干涉式光纤温度传感器基于保偏光纤的温度双折射效应及偏振干涉原理，采用125μm保偏光纤作为测温探头，与半导体激光器供能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，以保持靶组织的温度在预定的治疗温度范围内，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。

Description

半导体激光治疗仪、控制方法和温度信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种基于偏振干涉式光纤温度传感器的半导体激光治疗仪，属于光纤传感及激光治疗应用领域。

背景技术

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。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。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。

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，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。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无源、抗电磁干扰、体积小、重量轻、易集成的优点，光纤布拉格光栅(FBG) 温度传感器近年来被研究并逐渐应用于激光热疗领域。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。因此，新型高精度、高分辨率、低成本光纤温度传感器成为提高激光热疗领域技术水平及影响该技术推广的关键点。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种基于偏振干涉式光纤温度传感器的半导体激光治疗仪。

一种半导体激光治疗仪，包括主机、传输光缆和激光、温度集成型穿刺针；所述激光、温度集成型穿刺针主要由激光器供能光导纤维和温度传感光纤一起集成于穿刺针中组成，所述温度传感光纤采用 125μm保偏光纤作为测温探头；

传输光缆采用2芯复合光缆，具体由900um单模保偏光纤和200um石英光纤组成，其中900um单模保偏光纤传输温度信息，200um石英光纤传输激光能量。

基于保偏光纤的温度双折射效应，创新性的提出一种结构简单的新型高精度、低成本、具有良好互易性的反射式保偏光纤温度传感(Polarization maintaining fibertemperature sensor，PMF-TS)方案。采用125μm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。

本发明进一步限定的技术方案为：

进一步的，激光供能光导纤维末端所处穿刺针位置开通孔，用于输出激光能量。温度传感光纤和单模保偏光纤采用保偏光纤熔接机熔接，熔接点保护在激光/温度集成型穿刺针内部，温度传感光纤末端所处穿刺针位置为盲孔。

进一步的，单模保偏光纤的输出端与温度传感光纤的输入端呈45°角熔接，温度传感光纤的输出端镀介质全反射膜。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。

进一步的，温度传感光纤采用特定长度及拍长的保偏光纤实现，在保偏光纤末端镀介质全反射膜，反射率大于99％。

进一步的，所述主机包含光源、2×2光纤耦合器、起偏器、信号处理单元、反馈控制模块、驱动模块、稳压电源模块、脉冲调制模块和激光器；

光源的输出端与2×2光纤耦合器的端口连接，2×2光纤耦合器的端口与信号处理单元的端口连接；2 ×2光纤耦合器的端口与信号处理单元的端口连接；2×2光纤耦合器的端口与起偏器的输入端连接，起偏器的输出端与传输光缆中单模保偏光纤的输入端连接，单模保偏光纤的输出端与温度传感光纤的输入端连接，信号处理单元的端口与反馈控制模块的输入端连接，反馈控制模块的输出端与驱动模块的输入端连接，驱动模块的输出端与稳压电源模块的输入端连接，稳压电源模块的输出端与脉冲调制模块的输入端连接，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。脉冲调制模块的输出端与激光器的输入端连接，激光器的输出端与传输光缆中石英光纤的输入端连接，石英光纤的输出端与激光供能光纤连接。

温度传感光纤和激光供能光纤被集成在穿刺针套管内部，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。信号处理单元实时获取穿刺针处靶组织的温度信息，送给半导体激光器的反馈控制模块，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，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。

进一步的，光源采用1310nm或1550nmSLD宽谱光源。

一种如前所述的半导体激光治疗仪的控制方法，按照如下步骤进行：

步骤1，主机开机以后，设置满足激光治疗临床医疗要求的靶组织温度范围T1～T2；

步骤2，设置激光器驱动电流，输出激光，接着采集温度传感器的温度信息，判断采集到的温度并进行逻辑判断进行步骤3-5中的一步；

步骤3，如果温度传感器采集到的温度大于T2，则说明靶组织温度过高、激光器输出能量过大，减小激光器驱动电流以降低激光器输出功率后进入步骤6；

步骤4，如果温度传感器采集到的温度小于T1，说明靶组织温度过低，激光器输出能量过小，增大激光器驱动电流以增加激光器输出功率后进入步骤6；

步骤5，温度传感器采集到的温度在T1和T2之间，保持激光器输出能量不变后进入步骤6；

步骤6，温度传感器根据预设的采集频率继续采集温度并根据逻辑判断结果进入步骤3-5中的一步。

本发明的有益效果在于：

1.本发明设计一种基于偏振干涉式光纤温度传感器的半导体激光治疗仪，通过偏振干涉式光纤温度传感器实时、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，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。

2.本发明设计一种偏振干涉式光纤温度传感器，相对于现有的铂电阻温度传感器、光纤光栅温度传感器及荧光式光纤温度传感器，具有无源、抗电磁干扰、结构简单、精度高、分辨率高、成本低等特点，传输距离不受限制，体积小、重量轻、制作工艺简单，易于与激光供能光纤集成进穿刺针。

附图说明

图1为半导体激光治疗仪结构示意图。

图2为导体激光治疗仪控制方法流程图。

图3为激光/温度集成型穿刺针示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，一种基于偏振干涉式光纤温度传感器的半导体激光治疗仪，包括主机1、传输光缆2和激光/温度集成型穿刺针3；所述主机1包含光源4、2×2光纤耦合器5、起偏器6、信号处理单元7、反馈控制模块8、驱动模块9、稳压电源模块10、脉冲调制模块11和激光器12；所述传输光缆2采用2芯复合光缆，由900um单模保偏光纤和200um石英光纤组成，其中所述900um单模保偏光纤传输温度信息，所述200um石英光纤传输激光能量；所述激光/温度集成型穿刺针3包含125um温度传感光纤13和200um 激光供能光纤14。

光源4的输出端与2×2光纤耦合器5的端口51连接，2×2光纤耦合器5的端口53与信号处理单元7 的端口71连接，用于传输温度信息，2×2光纤耦合器5的端口54与信号处理单元7的端口72连接，用于监视光源输出功率，2×2光纤耦合器5的端口52与起偏器6的输入端连接，起偏器6的输出端与传输光缆2中900um单模保偏光纤的输入端连接，900um单模保偏光纤的输出端与温度传感光纤13的输入端呈45°角熔接，温度传感光纤13的输出端镀介质全反射膜，信号处理单元7的端口73与反馈控制模块 8的输入端连接，反馈控制模块8的输出端与驱动模块9的输入端连接，驱动模块9的输出端与稳压电源模块10的输入端连接，稳压电源模块10的输出端与脉冲调制模块11的输入端连接，脉冲调制模块11 的输出端与激光器12的输入端连接，激光器12的输出端与传输光缆2中200um石英光纤的输入端连接，200um石英光纤的输出端与200um激光供能光纤(14)连接。

如图2所示，一种基于偏振干涉式光纤温度传感器的半导体激光治疗仪闭环反馈控制算法流程图，说明如下：主机1开机以后，首先设置满足激光治疗临床医疗要求的靶组织温度范围T1～T2，然后设置激光器驱动电流，输出激光，接着采集温度传感器的温度信息，判断采集到的温度是否大于T2，如果大于T2，说明靶组织温度过高，激光器输出能量过大，此时需要减小激光器驱动电流以降低激光器输出功率，如果温度传感器采集到的温度小于T1，说明靶组织温度过低，激光器输出能量过小，此时需要增大激光器驱动电流以增加激光器输出功率，温度传感器采集到的温度在T1和T2之间，保持激光器输出能量不变。

如图3所示，一种激光/温度集成型穿刺针示意图，激光供能光纤14采用200μm石英光纤，温度传感光纤13和单模保偏光纤2均采用125μm保偏光纤。激光供能光纤14末端所处穿刺针位置开通孔，用于输出激光能量。温度传感光纤13和单模保偏光纤2采用保偏光纤熔接机熔接，熔接点保护在激光/温度集成型穿刺针内部，温度传感光纤13末端所处穿刺针位置为盲孔。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种半导体激光治疗仪，其特征在于：包括主机(1)、传输光缆(2)和激光、温度集成型穿刺针(3)；所述激光、温度集成型穿刺针(3)主要由激光器供能光导纤维(14)和温度传感光纤(13)一起集成于穿刺针中组成，所述温度传感光纤采用125μm保偏光纤作为测温探头；

所述传输光缆(2)采用2芯复合光缆，具体由900um单模保偏光纤和200um石英光纤组成，其中所述900um单模保偏光纤传输温度信息，所述200um石英光纤传输激光能量。

2.根据权利要求1所述的半导体激光治疗仪，其特征在于：激光供能光导纤维(14)末端所处穿刺针位置开通孔，用于输出激光能量。温度传感光纤(13)和单模保偏光纤(2)采用保偏光纤熔接机熔接，熔接点保护在激光/温度集成型穿刺针内部，温度传感光纤(13)末端所处穿刺针位置为盲孔。

3.根据权利要求2所述的半导体激光治疗仪，其特征在于：单模保偏光纤(2)的输出端与温度传感光纤(13)的输入端呈45°角熔接，温度传感光纤(13)的输出端镀介质全反射膜。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的半导体激光治疗仪，其特征在于：温度传感光纤(13)采用特定长度及拍长的保偏光纤实现，在保偏光纤末端镀介质全反射膜，反射率大于99％。

5.根据权利要求1所述的半导体激光治疗仪，其特征在于：所述主机(1)包含光源(4)、2×2光纤耦合器(5)、起偏器(6)、信号处理单元(7)、反馈控制模块(8)、驱动模块(9)、稳压电源模块(10)、脉冲调制模块(11)和激光器(12)；

光源(4)的输出端与2×2光纤耦合器(5)的端口(51)连接，2×2光纤耦合器(5)的端口(53)与信号处理单元(7)的端口(71)连接；2×2光纤耦合器(5)的端口(54)与信号处理单元(7)的端口(72)连接；2×2光纤耦合器(5)的端口(52)与起偏器(6)的输入端连接，起偏器(6)的输出端与传输光缆(2)中单模保偏光纤的输入端连接，单模保偏光纤的输出端与温度传感光纤(13)的输入端连接，信号处理单元(7)的端口(73)与反馈控制模块(8)的输入端连接，反馈控制模块(8)的输出端与驱动模块(9)的输入端连接，驱动模块(9)的输出端与稳压电源模块(10)的输入端连接，稳压电源模块(10)的输出端与脉冲调制模块(11)的输入端连接，脉冲调制模块(11)的输出端与激光器(12)的输入端连接，激光器(12)的输出端与传输光缆(2)中石英光纤的输入端连接，石英光纤的输出端与激光供能光纤(14)连接。

6.根据权利要求5所述的半导体激光治疗仪，其特征在于：所述光源(4)采用1310nm或1550nmSLD宽谱光源。

7.一种如权利要求1所述的半导体激光治疗仪的控制方法，其特征在于：按照如下步骤进行：

步骤1，主机(1)开机以后，设置满足激光治疗临床医疗要求的靶组织温度范围T1～T2；

步骤2，设置激光器驱动电流，输出激光，接着采集温度传感器的温度信息，判断采集到的温度并进行逻辑判断进行步骤3-5中的一步；

步骤3，如果温度传感器采集到的温度大于T2，则说明靶组织温度过高、激光器输出能量过大，减小激光器驱动电流以降低激光器输出功率后进入步骤6；

步骤4，如果温度传感器采集到的温度小于T1，说明靶组织温度过低，激光器输出能量过小，增大激光器驱动电流以增加激光器输出功率后进入步骤6；

步骤5，温度传感器采集到的温度在T1和T2之间，保持激光器输出能量不变后进入步骤6；

步骤6，温度传感器根据预设的采集频率继续采集温度并根据逻辑判断结果进入步骤3-5中的一步。