专利名称：光纤光栅温度传感器及其探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种光纤光栅温度传感器及其探头，尤其涉及一种光纤布拉格光栅温度传感器，此传感器尤其适用于骨肿瘤微波热疗的临床应用。
背景技术：
肿瘤是一类严重威胁人类生命和健康的疾病。其特点之一在于扩散性很强，而且由于肿瘤细胞与周围的正常人体组织细胞无明显分界线，因此采用一般手术治疗方法很难完全切除肿瘤细胞，在手术后容易复发。放射性疗法和化学疗法虽然能杀死肿瘤细胞，但是同时也使大量的正常组织细胞受到损害，导致患者的身体状况进一步恶化，难以接受后续治疗。目前世界各国相继研制利用微波来治疗肿瘤，其作用机理为将较高频率的微波作用于肿瘤部位，肿瘤细胞和周围正常组织细胞在微波的作用下升温，利用肿瘤细胞比正常组织细胞死亡温度低的特性，将温度控制在一定范围内(42-44° C)，持续一定时间，就可以达到既杀灭肿瘤细胞，又保证了正常组织细胞的活性的治疗目的。但是，如果温度高于 45° C，则正常组织细胞也会受到严重损伤。因此，在进行微波热疗时，对肿瘤部位的精确加温控温是实现肿瘤微波热疗技术的关键，同时，对于肿瘤部位的精确测温是实现精确加温控温的基本前提。肿瘤测温系统是体外微波热疗仪的组成部分，在体外微波热疗仪治疗过程中，实时监测肿瘤部位的温度。测温传感器普遍做成探针形式，插入肿瘤部位，在治疗过程中进行实时测温。传统的微波热疗仪温度传感器大多为电子式传感器或荧光光纤温度传感器，由于体外高频热疗仪是大功率高频治疗设备，因此会产生非常强的电磁干扰，它会干扰周围环境的电子设备，使它们不能正常工作，因此在微波治疗过程中使用电子式传感器存在失效的可能性。使用荧光式光纤温度计测量温度时，由于任意一点光纤的弯曲都会影响到光谱的强度，产生光强损耗，影响测量精度，所以荧光式光纤温度计具有精度低，可靠性差的缺点，不适合长期连续性测量。在骨肿瘤微波热疗过程中，通常要把探针针头插入骨膜等比较坚韧的组织，对于探针的机械强度有较高的要求，传统温度传感器空心针头的制作方法通常为将一段壁厚为0. Imm的不锈钢圆管的一端插入不锈钢圆棒，采用胶接或者焊接的方式将不锈钢圆管与不锈钢圆棒联接在一起，然后切出斜面作为针尖。这种空心针头的壁厚较薄，插入骨肿瘤部位时经常会折断，因而失效，而且会对患者造成不必要的损伤。由于采用焊接或者胶接的联接方式，反复使用后将导致针尖部位的不锈钢圆棒处密封不严而且容易脱落，也容易对患者造成不必要的损伤。为了减轻传感器的整体重量，传统温度传感器的手柄通常采用非金属材料，从而进一步降低了传感器整体的机械强度。不适用于骨肿瘤微波热疗的临床应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述不足，设计提供一种应用于微波热疗的光纤光栅温度传感器，结构简单，重量轻，体积小，坚固耐用，使用安全方便，使用光信号传输，不受微波辐射干扰，能精确测量探针插入点的温度，能确保实现肿瘤微波热疗的疗效及微创性，尤其适用于骨肿瘤微波热疗的临床应用。一种光纤光栅温度传感器，它包括探头和与之连接的解调系统，所述探头包括连接在一起的针头和手柄，其特征是所述针头是带有针尖的圆棒，在圆棒一端底面中心设置一盲孔，该盲孔延伸至接近圆棒有针尖的另一端；在盲孔中通过石英玻璃毛细管固定光纤布拉格光栅。本方案的具体特点还有，在盲孔中设置光纤布拉格光栅是指将所述光纤布拉格光栅根部5mm尾纤的涂覆层剥除并在在位于石英玻璃毛细管中后部的光纤布拉格光栅根部 5mm尾纤表面涂胶后插入到所述石英玻璃毛细管内接近前端的位置，光纤布拉格光栅顶端距离石英玻璃毛细管前端约5mm，胶固化后，光纤布拉格光栅处于一端自由状态。然后将光纤布拉格光栅连同石英玻璃毛细管一起插入针头盲孔并在针头根部涂胶，将针头和光纤固定。胶固化后，石英玻璃毛细管在针头内处于自由状态，它与针头内壁的接触不会引起光栅的形变，因而不会影响测量精度。所述圆棒为奥氏体不锈钢圆棒，圆棒直径2mm，盲孔直径1mm，盲孔盲端距奥氏体不锈钢圆棒另一端5mm。所述手柄为医疗用铝合金制成，呈中空管状，在手柄前部内腔设置有环台，环台将手柄分为内腔分为内径不同的两段，前段设置内螺纹与针头固定连接；采用胶接和螺纹连接的方式将所述针头和手柄联接在一起。手柄后段固定光纤外层保护套管。前段螺纹孔深度为5mm，通过这段螺纹孔，可以将针头和手柄联接在一起。手柄后段内径3. 2mm，深度 50mm，通过这段内孔，可以将光纤外层保护套管和手柄联接在一起。环台厚度2mm，在环台上有一个直径Imm的通孔，环台的作用为1、承受针头刺入物体时作用在针头上的压力，2、防止光纤外层保护套管和针头的接触，避免因两者的触碰而引发光纤折断。通过环台上Imm通孔，可以将光纤穿过手柄。手柄后段固定光纤外层保护套管是指将尾纤穿入光纤内层保护套管，将光纤内层保护套管沿光纤从手柄后部插入手柄内孔，再将内层保护套管前端约IOmm长度的外壁涂胶后，将内层保护套管穿入光纤外层保护套管，并在位于手柄后端外层保护套管表面涂胶， 将光纤外层保护套管和手柄粘接在一起。最后将插头焊接在尾纤上。所述针头的制造方法为在直径2mm的奥氏体不锈钢圆棒的一端底面中心钻一个直径为Imm的盲孔，盲孔钻至距离不锈钢圆棒另一端5mm处，然后在此处切出15°斜面作为针尖。在针尖的另一端外表面上加工出MhO. 2的螺纹，螺纹长度约6mm。本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，光纤光栅温度传感器是通过对光纤光栅的特殊封装使其对待测温度参数敏感，并通过光信号反馈光纤光栅波长的变化来测量待测温度参量。能够实现多点检测、实时连续检测。具有不受微波辐射干扰、响应时间短、量程大、分辨率高、测量精度高、线性度好、长期测量重复性好等特点，可以在微波场中精确测量肿瘤部位的温度，从而达到对肿瘤部位精确加温控温的目的。传感器手柄采用医疗用铝合金制成，0. 5mm的厚壁空心探针针头采用不锈钢材料制成，手柄和针头的联接方式采用胶接和螺纹联接，机械强度非常高，盲孔结构确保了良好的密封、安全性能好、使用寿命长的优点。杜绝折断情况发生，且测温准确。将光栅封装在石英玻璃毛细管内然后封入针头，并使光栅尽量靠近针尖。这样做的目的有两个一、用石英玻璃毛细管保护光纤布拉格光栅，使其处于一端自由状态，不会因接触到针头内壁而发生形变，避免了测量时的环境误差影响，确保了测量精度；二、确保针尖位置的温度能迅速准确的传导至光纤布拉格光栅，从而大大缩短了传感器的响应时间。
图1是本发明的光纤光栅温度传感器剖面图；图2是本发明的光纤光栅温度
传感器的B部剖面放大图；图3是本发明的光纤光栅温度传感器的C部剖面放大图； 图4是本发明的光纤光栅温度传感器的D部剖面放大图；图5是本发明的光纤光栅温度传感器的E部剖面放大图；图6是本发明的光纤光栅温度传感器的解调系统原理框图；图7 是本发明的光纤光栅温度传感器的整体外形图；其中1-手柄，2-针头，3-光纤外层保护套管，4-光纤布拉格光栅，5-石英玻璃毛细管，6-光纤内层保护套管，7-插头，8-胶粘接点， 9-胶粘接点，10-胶粘接点，11-尾纤，12-胶粘接点，13-胶粘接点，14-环台。
具体实施例方式实施例1
一种光纤光栅温度传感器的探头，它包括连接在一起的针头2和手柄1，所述针头2是带有针尖的圆棒，在圆棒一端底面中心设置一盲孔，该盲孔延伸至接近圆棒有针尖的另一端；在盲孔中通过石英玻璃毛细管5固定光纤布拉格光栅4。在盲孔中设置光纤布拉格光栅 4是指将所述光纤布拉格光栅4及其根部5mm尾纤11的涂覆层剥除并在在位于石英玻璃毛细管5后部的光纤布拉格光栅4根部5mm尾纤11的表面涂胶后插入到所述石英玻璃毛细管5内接近前端的位置，然后将光纤布拉格光栅4连同石英玻璃毛细管5 —起插入针头2 盲孔并在针头2根部涂胶，将针头2和尾纤11固定。所述圆棒为奥氏体不锈钢圆棒，圆棒直径2mm，盲孔直径1mm，盲孔盲端距奥氏体不锈钢圆棒另一端5mm。所述石英玻璃毛细管5 长度20mm，外径0. 3mm,内径0. 15mm。所述光纤布拉格光栅4的栅区长度约为10mm，带有涂覆层的光纤布拉格光栅4以及尾纤11的直径均为0. 25mm，剥除涂覆层之后均为0. 125mm。 将光纤布拉格光栅4的涂覆层剥除是指将IOmm栅区以及其根部的5mm尾纤的涂覆层剥除。 在光纤布拉格光栅4的根部涂胶后插入到所述石英玻璃毛细管5内接近前端的位置是指在剥除了涂覆层的栅区根部的5mm尾纤11的表面涂胶，然后插入石英玻璃毛细管5内，使光纤布拉格光栅4的顶端不露出石英玻璃毛细管5，并且距离石英玻璃毛细管5前端约5mm。 胶固化后，光纤布拉格光栅4处于一端自由状态(不受力)。所述手柄1呈中空管状，在手柄1前部内腔设置有环台14，环台14将手柄1的内腔分为内径不同的两段，前段设置内螺纹与针头2固定连接；采用胶接和螺纹连接的方式将所述针头和手柄联接在一起；手柄1后段固定光纤外层保护套管3。所述环台14厚度2mm， 在环台上有一个直径Imm的通孔。手柄1后段固定光纤外层保护套管3是指将尾纤11穿入光纤内层保护套管6，将光纤内层保护套管6沿光纤从手柄1后部插入手柄1内孔，再将内层保护套管6穿入光纤外层保护套管3，并在光纤外层保护套管3外表面的胶粘接点10 处涂胶，将光纤外层保护套管3和手柄1粘接在一起。将光纤布拉格光栅4的涂覆层剥除，在裸光纤上的胶粘接点8处涂胶，插入石英玻璃毛细管5 (外径0. 3mm,内径0. 15mm)内，等待胶固化后，在距离光纤布拉格光栅4大约 IOmm处的尾纤11上胶粘接点9处涂胶，然后将粘接在一起的石英玻璃毛细管5连同光纤布拉格光栅4 一起插入不锈钢空心针头2 (壁厚0. 5mm)内孔，至极限位置。等待胶固化后， 在针头2末端螺纹上涂胶，插入医疗用铝合金手柄1前端内孔，利用螺纹连接拧紧。将尾纤 11穿入光纤内层保护套管6，将光纤内层保护套管6沿尾纤11从手柄后部插入手柄内孔， 再将光纤内层保护套管6穿入光纤外层保护套管3，并在胶粘接点10处涂胶，将光纤外层保护套管3和手柄1粘接在一起。最后将插头7焊接在尾纤上。
实施例2
本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于它是一种光纤光栅温度传感器，它包括探头和与之连接的解调系统。系统原理框图如图5所示，激光器输出的窄带光经隔离器和耦合器进入传感光纤光栅，通过信号发生器对窄带激光器进行光程调谐，周期性的变化输出光的中心波长，以扫描传感光纤光栅的反射谱。当激光器的输出光谱发生改变时，探测器的接收光强变化反映了激光器的输出光谱及传感光纤光栅的反射谱的匹配状况。理论上，当激光器与传感光纤光栅的中心波长完全匹配时，探测器接收到得光功率达到极大值。所以，可根据反射光最强时窄带光源的输出波长等效得到相应的光纤光栅的反射波长，从而可以计算出测量点的温度。该解调采用波长解调方式，避免了光强解调的不稳定性。
权利要求
1.一种光纤光栅温度传感器，它包括探头和与之连接的解调系统，所述探头包括连接在一起的针头和手柄，其特征是所述针头是带有针尖的圆棒，在圆棒一端底面中心设置一盲孔，该盲孔延伸至接近圆棒有针尖的另一端；在盲孔中通过石英玻璃毛细管固定光纤布拉格光栅。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅温度传感器，其特征是在盲孔中设置光纤布拉格光栅是指将所述光纤布拉格光栅根部尾纤的涂覆层剥除并涂胶后将所述光纤布拉格光栅插入到所述石英玻璃毛细管内接近前端的位置，然后将光纤布拉格光栅连同石英玻璃毛细管一起插入针头盲孔并在针头根部涂胶，将针头和尾纤固定。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅温度传感器，其特征是所述圆棒为奥氏体不锈钢圆棒，圆棒直径2mm，盲孔直径1mm，盲孔盲端距奥氏体不锈钢圆棒另一端5mm。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅温度传感器，其特征是所述手柄呈中空管状，在手柄前部内腔设置有环台，环台将手柄分为内腔分为内径不同的两段，前段设置内螺纹与针头固定连接；采用胶接和螺纹连接的方式将所述针头和手柄联接在一起。
5.一种光纤光栅温度传感器的探头，它包括连接在一起的针头和手柄，其特征是所述针头是带有针尖的圆棒，在圆棒一端底面中心设置一盲孔，该盲孔延伸至接近圆棒有针尖的另一端；在盲孔中通过石英玻璃毛细管固定光纤布拉格光栅。
6.根据权利要求5所述的光纤光栅温度传感器的探头，其特征是在盲孔中设置光纤布拉格光栅是指将所述光纤布拉格光栅根部尾纤的涂覆层剥除并涂胶后将所述光纤布拉格光栅插入到所述石英玻璃毛细管内接近前端的位置，然后将光纤布拉格光栅连同石英玻璃毛细管一起插入针头盲孔并在针头根部涂胶，将针头和尾纤固定。
7.根据权利要求6所述的光纤光栅温度传感器的探头，其特征是所述圆棒为奥氏体不锈钢圆棒，圆棒直径2mm，盲孔直径1mm，盲孔盲端距奥氏体不锈钢圆棒另一端5mm。
8.根据权利要求5或6或7所述的光纤光栅温度传感器的探头，其特征是所述手柄呈中空管状，在手柄前部内腔设置有环台，环台将手柄分为内腔分为内径不同的两段，前段设置内螺纹与针头固定连接；采用胶接和螺纹连接的方式将所述针头和手柄联接在一起；手柄后段固定光纤外层保护套管。
9.根据权利要求8所述的光纤光栅温度传感器的探头，其特征是所述环台厚度2mm，在环台上有一个直径Imm的通孔。
10.根据权利要求8所述的光纤光栅温度传感器的探头，其特征是手柄后段固定光纤外层保护套管是指将尾纤穿入光纤内层保护套管，将光纤内层保护套管沿光纤从手柄后部插入手柄内孔，再将内层保护套管前端表面涂胶后穿入光纤外层保护套管，并在位于手柄后端外层保护套管表面涂胶，将光纤外层保护套管和手柄粘接在一起。
全文摘要
一种光纤光栅温度传感器，它包括探头和与之连接的解调系统，所述探头包括连接在一起的针头和手柄，其特征是所述针头是带有针尖的奥氏体不锈钢圆棒，自奥氏体不锈钢圆棒一端底面中心设置一盲孔，该盲孔延伸至接近奥氏体不锈钢圆棒的另一端；在盲孔中设置光纤布拉格光栅。本发明主要用于制造适用于骨肿瘤微波热疗的光纤光栅温度传感器。
文档编号A61B5/01GK102274006SQ20111017243
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者赵维崧 申请人:山东省科学院激光研究所