医用光纤传感器的最新研究进展

　　01/14/2004,作者：苏方宁　华南理工大学材料学院光通信材料研究所
摘要:光纤传感器可以放置在人体皮肤或者人体内用来直接测量一些生物医学参数。本文主要讲述了医用光纤传感器的新近的应用及其发展动向。

1.引言
    光纤传感器在生物医学上的应用日益渐增，主要有三种类型的传感器：无损传感器，应用于皮肤接触方面的传感；微损传感器，指插入人体孔洞而起传感作用的一类传感器；有损传感器，此类传感器必须介入人体器官或者血液中。不容置疑，生物医学上的这种应用主要由于传感器具有小型化、功能化及其灵活化的特点。
（1）.光纤传感器的小型化及灵活性。它可以插入小型的测量计和皮下注射针孔中，可以起定位和微损监控。
（2）.光纤传感器是无毒、非化学活性的及其本质上对介入人体的应用是安全可行的。另外，由于它们的电磁惰性就意味着它们可以配合其他的电学仪器、设备一起而没有电磁感应及其干扰，这对于保证病情监控的安全性是至为重要的。
（3）.光纤传感器性质稳定、操作方便、灵活。
对于传感器的评价绝大部分都基于其操作性和生物适应性。生物适应性，是保证病人感到舒适自然的首要因素，就是指传感器既不影响，也不被人体影响的程度。例如，既然操作性能由于所处环境影响而可能下降，因此诸如化学传感器一类的设备，其抵抗人体干扰而不受影响的能力，就显得重要了。由于传感器设计及密封性的持续改善，传感器的生物适应性近年来大为提高。

2.血样监控及氧化测定
    医用传感器近年来取得了较大进展，特别是血－气探测传感器。为了适应医生的需求，光纤传感器现在已经能够监控血样中的电介质，比如K、Na、Ca。CDI500和AVL9180系统已经商品化，它们能够监控血液中的电解质及其气体变化。对于AVL而言，化学传感器是由于离子团、空洞和荧光团合成的。由蓝光激发得到的荧光强度，是通过分析物的浓度所确定的电离产物而调整的。
    这些传感器用于离体血液或者体外血－气平衡分析。最新的血管内传感应用是对早产婴儿较为严重病情的血－气监控。微型的光线传感器也已经开发成功了，这种光纤导管（半径：0.5mm），通过婴儿的肚脐带进入导尿管（见Fig 1）。
    氧化物饱和度测量，就是血红小板所能携带的最大氧化物的含量，目前已经取得较大进展。对于大多数非入侵氧化物而言，主动脉中的氧化物饱和度是通过耳垂或指尖入射的光来评介的。此时，区分氧化物是源于动脉血还是静脉、猫细血管或者器官，就格外重要了。为了避免脉冲式氧化物潮的出现，我们就的采取相应措施，这些措施基于如下假设：在心脏收缩期间器官对光的吸收的变化主要是由于主动脉血容的变化引起。因而，脉冲式氧化物含量测定就必须同步
       
   
    测量由于心脏收缩导致的吸收波动。用于氧化物饱和测量的两个波长是通过分析光波脉动而确定，而不是通过透过或者反射光绝对强度确定。基于时分和波分技术的氧化测量技术正在蓬勃发展中，他们设计用于区分器官内的吸收和散射而探测氧化物含量。

3.中风分析
   光纤传感，具有小型化和灵活性的特点，就特别适用于中风监控这一领域。中风是由于大脑供血量下降而引起的一类脑血管疾病，主要有两大类型：出血性中风和萎缩性中风。对于出血性中风，顾名思义，，血流量的减少是由于出血所致；而萎缩性中风，血流量的减少或者中断是由于血管闭塞（如：血小板的节瘤或者粥样硬化）而引起的。中风引起的脑部供血量中断时间长了，脑细胞就必然受损。因此，对于中风之后的脑部细胞状况的监控就显得重要了。医治脑部损伤只有在脑细胞仍然健活的情况下，神经医护用药才能有效。能评价细胞状态的医学参数是PH值，当器官死亡时产生乳酸，引起血液PH下降。任何数值低于正常血液PH值（7.4）都预示着有细胞的死亡。有关的新近进展包括如下两个方面：
（1）.中风患处或者近患处，用光纤传感器测量PH值。传感器由管状光纤尾端装入用溶胶－凝胶法制得得荧光团染色体组成。染色体（半萘甲酰－若单明－羧酸盐），特征发射谱有对ＰＨ值较为敏感的酸性（中心波长580nm）和碱性(中心波长640nm)两种谱带，此两种发射谱都用533 nm泵浦激发。区分这两种特征染色体就要测定PH值，实验室试验中，传感器具有快速反应和精度高（0.05PH单位）的特点，精度高于测量阈值0.1PH。
（2）.D－二聚物是血凝块溶解时释放的一种蛋白质，光纤传感器能够免疫性测量D－二聚物含量。这样，当确诊为中风后所要进行的溶化血凝快的手术治疗中，光纤传感器就能用来监控治疗的效果。传感器是利用对D－二聚蛋白有选择性辨认能力的D－二聚蛋白抗体而工作的，测量范围是0.54 －6.0 的，这个范围与D－二聚蛋白浓度的生理浓度较一致，血液中D－二聚物浓度低于0.5 。

4.粥样硬化分析
    光纤近红外的光谱分光术（700－3000nm）就能对健活器官组织进行跟踪检查而获得有用信息，而这种信息用其他的方法无法获取。联合光纤传感器与红外分光术主要有两个优点：
（1） 能够简化传感器的设计与制造
（2） 参数分析自动化
此方面最近的一个应用就是对粥样血硬化的在线跟踪监控与化学分析。粥样血硬化，就是伴随在主动脉内臂快速形成纤维状链接的组织细胞过程中的油脂性血液堆积，当血液中存在高浓度的脂蛋白时，就很容易发生，就会造成血液通道的收缩或者变窄。
近红外分光术，能够辨别不同种类的脂蛋白与油脂，对于医生诊断粥样硬化的程度而言，就是一种十分重要的工具。光纤导管（参照Fig 2），过去普遍用于辨认粥样硬化损伤位置，如今可用于损伤的跟踪与分析。
      

5.胃气（CO2）检测
    用光纤传感器连续检测胃中CO2气压(Fig 3)，对于评估组织氧化程度是一个重要的参数，这种传感器正在研发之中。对于健康的人体而言，胃中CO2水平与血液中CO2水平相当。当中风或者严重的发炎时，胃中氧供量就会减少，这样一来与血液中的CO2相比，胃中CO2浓度就大大提升了。在光电测量系统中，CO2敏感层随着CO2浓度上升就会由蓝色逐渐向黄色变化，经由一个A/D转换，信号就能输入电脑中进行分析了，测量范围为：0-140 hPa, 精度2.7 hPa, 反应时间＜1min。
      

6.放射理疗中的辐射剂量测定
    目前，还没有能够直接监控能导致癌变的辐射剂量。最具发展潜力的三种系统是：
（1）.用作辐射传感器的掺重金属的光纤节棒。两种具有光敏的光纤（一是含60wt％ PbO 的铅玻璃光纤，另一是Ge－P共掺的石英光纤），内置于导管中插入人体测量，这种系统正在实验室开发中。
（2）.Cu+掺杂的熔融石英棒。在790 nm二极管激光照射下，激活离子可以注射入辐射惰性的光纤中，通过光子计数式的光子倍增管来分析访问数据。在激光照射下，光激发出的荧光的积分强度正比于入射剂量，在线跟踪试验中，传感器输出为一线性剂量范围：0-10 Gy（1Gy＝100rad），计量传递速率为100 cGy/min， 与放射理疗中剂量一样。
（3）.辐射传感的X－ray穿透膜。这种材料是由一层23 的GaCl3单晶膜覆于100 的聚酯树脂底基之上构成，当微晶被照射时，树脂就会产生单向排列蓝色。试验测试中，样品可以承受的X－ray剂量范围是0-100 Gy。

7.用于温度与强度检测的布拉格光栅
    布拉格光栅对温度与强度都具有敏感性，这就使得它适合作如下的应用的基质材料：
（1）.多点温度测量。在线测试中，用栅长1mm，栅间距5 mm的光栅连接单模光纤就能得到满意的效果。
（2）.热电稀释性心脏监控。当一较冷液体注射入心房后，光栅就能探测到肺动脉或者主动脉温度的变化，并且保证心肺导管的完好无损；整个测量过程中，完全脱离了电，就能够保证病人的安全。
（3）.胸肌强度监测。这种测量也是完全脱离电的，同样确保病人的安全，目前一种连续记录数据仪正在研究中。

8.压力检测
    目前，已经有如下两种压力敏感系统开发出来：
（1）.心脏和环流压力测量。 光纤传感器内置于一聚氨基甲酸乙酯的支撑导管中，尾部是曲面反射器，其中一传感器尖端把由光纤传输过来的光反射出去，产生光斑，当压力变化时，反射器产生位移，就改变了光斑，这样就能够测量压力波动。
（2）.心脉管、内头颅、呼吸系统及其中脊椎盘压力测量。SAEKBA压力传感器，一光纤与一个F－B振荡腔相连。当光在空腔中传播改变，腔内光产生干涉的改变，反射光强度就变动，就能由与光纤另一端相连的光子探测计探测到。传感器很容易适应于医学上的应用，直径0.36-0.42 mm，压力0.9-10 bar。

9.发展趋向
    20世纪八十年代出现的Raman光谱仪，是生物医学领域上的一强有力的实验分析工具。兼容光纤传感与Raman光谱仪就能够开辟一条在线跟踪监测的医疗应用的道路。乳癌诊断、主动脉粥样硬化确诊和血液主成分快速测定，仅仅是说明Raman光谱分析巨大应用潜力的三个例子而已。
另一个研究去向就是研发亚微米传感器，可用于萎缩性中风预防、控制。亚微米传感，提供了较高的空间溶解度，更快速的反应时间，这样就能克服用于脑细胞中谷氨酸无损监控的障碍。传感器能够探测发射光谱，而反射光谱是谷氨酸与NDA+的产物。对于谷氨酸,亚微米传感作为探测一系列生化参数的基质材料而开发的，可以探测PH值、Ca、Pt、Ni、NDA。

10.结论
    光纤传感器在生物医学上的应用范围正在稳步拓宽，最近的传感器已经可以广泛用于：血－气监控、氧化测定及粥样硬化分析等等方面。已经在试验中取得较好结果，即将可以应用的主要用于在线跟踪监控，比如，胃气CO2气体探测、辐射剂量测定、温度及其强度监控和压力监控。光纤Raman光谱分析术及其微型光纤探测器中的亚微米传感探测是发展趋势，将来肯定会大有发展。