ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ТЕРМОМЕТРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА

Полезная модель относится к измерительной технике, преимущественно к медицинской технике, и может быть использована в волоконно-оптических термометрах для измерения температуры внутренней среды организма человека.
Аналогом является чувствительный элемент медицинского волоконно-оптического термометра [Красюк Б.А. Светотоводные датчики. М., Машиностроение, 1990, § 4.3, стр. 126-128], используемого для непрерывного контроля температуры живой ткани, подвергающейся нагреву токами высокой частоты. Чувствительный элемент данного термометра представляет собою короткий, длиною не более 2 см, закрытый с одного конца стеклянный капилляр, заполненный внутри термометрическим веществом, в который введен освобожденный от оболочки конец оптического волокна. При изменении температуры среды, окружающей капилляр, изменяется температура масла в капилляре и увеличивается или уменьшается коэффициент преломления этой жидкости, что естественно приводит к изменению интенсивности света, вышедшего через торец сердцевины волокна и частично возвратившегося в эту сердцевину после отражения от «донышка» капилляра.
Основным недостатком аналога является то, что капилляр чувствительного элемента изготовлен из стекла, поэтому при измерении температуры внутренней среды организма человека с помощью волоконно-оптического термометра на основе чувствительного элемента в виде стеклянного капилляра необходимо соблюдать меры осторожности.
4
Прототипом является чувствительный элемент волоконно-оптического термометра [патент США pat. 4575259 U.S.A.: int. cl. G01J 5/58, 1986], используемого в биомедицинских целях. Чувствительный элемент термометра представляет собою стеклянный капилляр, заполненный внутри жидким термохромным веществом, в который введен освобожденный от оболочки конец оптического волокна. Термохромное вещество имеет пики поглощения на определенной длине волны излучения при изменении температуры вещества.
Основным недостатком прототипа является наличие у термохромного вещества поглощающих свойств, что приводит к необходимости использования комплексного показателя преломления, снижает точность и усложняет процесс измерения температуры.
Задачей полезной модели является разработка конструкции чувствительного элемента волоконно-оптического термометра, в котором устранены основные недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом является повышение точности и безопасности измерения температуры внутренней среды организма человека с помощью волоконно-оптического термометра.
Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе волоконно-оптического термометра для измерения температуры внутренней среды организма человека, выполненным в виде, заполненной термометрическим веществом, герметичной емкости, в полости которой размещен освобожденный от оболочки конец оптического волокна, согласно настоящей полезной модели, герметичная емкость выполнена в виде полимер-капилляра, изготовленного из нетоксичного поливинилхлорида, при этом в качестве термометрического вещества использована прозрачная циклоалифатическая эпоксидная смола, показатель преломления которой линейно зависит от температуры внутренней среды организма человека, а освобожденный от оболочки конец оптического волокна выполнен с возможностью, при повышении или понижении температуры внутренней среды организма человека, изменения отражательной и пропускательной способности границы раздела «освобожденный от оболочки конец оптического волокна - термометрическое вещество».
В качестве нетоксичного поливинилхлорида использован пластифицированный поливинилхлорид медицинского назначения марки «ГТМ-1/42 мед», а в качестве термометрического вещества использована прозрачная циклоалифатическая эпоксидная смола марки «ERL 4221».
тв
всо
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 - конструкция предлагаемого чувствительного элемента; на фиг. 2 - график изменения показателя преломления nпрозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221» в зависимости от температуры Т внутренней среды организма человека.
На фиг. 1 цифрами обозначены:
1 - термометрическое вещество,
2 - герметичная емкость (полимер-капилляр),
3 - полость полимер-капилляра,
4 - оптическое волокно,
5 - освобожденный от оболочки конец оптического волокна.
1
Р - мощность оптического излучения, входящего в освобожденный от оболочки конец оптического волокна;
2
Р - мощность оптического излучения, выходящего из освобожденного от оболочки конца оптического волокна;
R - отражательная способность границы раздела «освобожденный от оболочки конец оптического волокна - термометрическое вещество»;
J - пропускательная способность границы раздела «освобожденный от оболочки конец оптического волокна - термометрическое вещество»;
всо
Т - температура внутренней среды организма человека;
тв
Т - температура прозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221»;
тв
n - показатель преломления прозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221».
Чувствительный элемент волоконно-оптического термометра для измерения температуры внутренней среды организма человека выполнен в виде, заполненной термометрическим веществом 1, герметичной емкости 2, в полости 3 которой размещен освобожденный от оболочки конец 5 оптического волокна 4.
тв
всо
всо
Отличием предлагаемого чувствительного элемента волоконно-оптического термометра является то, что герметичная емкость 2 выполнена в виде полимер-капилляра, изготовленного из нетоксичного поливинилхлорида, при этом в качестве термометрического вещества 1 использована прозрачная циклоалифатическая эпоксидная смола, показатель преломления n которой линейно зависит от температуры Т внутренней среды организма человека, а освобожденный от оболочки конец 5 оптического волокна 4 выполнен с возможностью, при повышении или понижении температуры Т внутренней среды организма человека, изменения отражательной R и пропускательной J способности границы раздела «освобожденный от оболочки конец 5 оптического волокна 4 - термометрическое вещество 1».
В качестве нетоксичного поливинилхлорида использован пластифицированный поливинилхлорид медицинского назначения марки «ПМ-1/42 мед», а в качестве термометрического вещества использована прозрачная циклоалифатическая эпоксидная смола марки «ERL 4221».
Материалы и изделия из пластифицированного поливинилхлорида медицинского назначения марки «ПМ-1/42 мед» обладают ценными свойствами: они нетоксичные, пластичные, ударопрочные, химически стойкие и стерилизуются всеми видами стерилизации.
Химическое название прозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221» следующее:
тв
всо
«ERL 4221» = 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3′,4′-epoxycyclohexanecaloxyrate. Показатель преломления n прозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221» связан с температурой Т внутренней среды организма человека следующей зависимостью:
тв
всо
-4
n=1,5062-3,6576·10Т.
тв
всо
тв
-1
В медицине для диагностирования температуры органов и тканей человека наибольшее значение имеет область температур в диапазоне +32…+44°С. На фиг. 2 представлен график изменения показателя преломления nпрозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221» в зависимости от температуры Т внутренней среды организма человека. Изображенная на фиг. 2 зависимость  является линейной в диапазоне температур от +32 до +44°С, что дополнительно позволяет повысить точность измерения температуры с помощью волоконно-оптического термометра на основе предлагаемого чувствительного элемента. Значения показателя преломления прозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221» изменяются на 3-ем и 4-ом знаках после запятой, при этом на 4-ом знаке данные изменения являются более интенсивными. Из графика, изображенного на фиг. 2, видно, что при изменении температуры на 1°С значение показателя преломления n прозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221» изменяется приблизительно на 0,00037. Чувствительность волоконно-оптического термометра на основе предлагаемого чувствительного элемента составляет 0,00037°С.
Принцип действия предлагаемого чувствительного элемента (см. фиг. 1) в составе волоконно-оптического термометра следующий.
кр
об
с
кр
об
c
В оптическом волокне 4 оптическое излучение распространяется под критическим углом полного внутреннего отражения θ, определяемым арксинусом отношения показателя преломления n оболочки оптического волокна 4 к показателю преломления n сердцевины: θ=arcsin(n/n).
При повышении или понижении температуры термометрического вещества 1, окружающего освобожденный от оболочки конец 5 оптического волокна 4, происходит изменение отражательной R и пропускательной J способности границы раздела «освобожденный от оболочки конец 5 оптического волокна 4 - термометрическое вещество 1», т.е. нарушается условие полного внутреннего отражения в результате изменения показателя преломления второй среды, а именно термометрического вещества 1.
1
2
2
тв
Соответственно, мощность оптического излучения Р, входящего в освобожденный от оболочки конец 5 оптического волокна 4, и мощность излучения Р, выходящего из него, будут существенно отличаться друг от друга по значению. Это связано с тем, что мощность оптического излучения Р, выходящего из освобожденного от оболочки конца 5 оптического волокна 4, зависит от отражательной R и пропускательной J способности границы раздела «освобожденный от оболочки конец 5 оптического волокна 4 - термометрическое вещество 1», которые, в свою очередь, изменяются при повышении или понижении температуры Т термометрического вещества 1.
Таким образом, использование освобожденного от оболочки конца 5 оптического волокна 4, пластифицированного поливинилхлорида медицинского назначения марки «ПМ-1/42 мед» для изготовления полимеркапилляра 2, а также прозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221» в качестве термометрического вещества 1 позволит, по сравнению с аналогом и прототипом, повысить точность и безопасность измерения температуры внутренней среды организма человека с помощью волоконно-оптического термометра.