01/14/2004,作者：蘇方寧　華南理工大學(xué)材料學(xué)院光通信材料研究所
摘要:光纖傳感器可以放置在人體皮膚或者人體內(nèi)用來(lái)直接測(cè)量一些生物醫(yī)學(xué)參數(shù)。本文主要講述了醫(yī)用光纖傳感器的新近的應(yīng)用及其發(fā)展動(dòng)向。

1.引言
    光纖傳感器在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用日益漸增，主要有三種類(lèi)型的傳感器：無(wú)損傳感器，應(yīng)用于皮膚接觸方面的傳感；微損傳感器，指插入人體孔洞而起傳感作用的一類(lèi)傳感器；有損傳感器，此類(lèi)傳感器必須介入人體器官或者血液中。不容置疑，生物醫(yī)學(xué)上的這種應(yīng)用主要由于傳感器具有小型化、功能化及其靈活化的特點(diǎn)。
（1）.光纖傳感器的小型化及靈活性。它可以插入小型的測(cè)量計(jì)和皮下注射針孔中，可以起定位和微損監(jiān)控。
（2）.光纖傳感器是無(wú)毒、非化學(xué)活性的及其本質(zhì)上對(duì)介入人體的應(yīng)用是安全可行的。另外，由于它們的電磁惰性就意味著它們可以配合其他的電學(xué)儀器、設(shè)備一起而沒(méi)有電磁感應(yīng)及其干擾，這對(duì)于保證病情監(jiān)控的安全性是至為重要的。
（3）.光纖傳感器性質(zhì)穩(wěn)定、操作方便、靈活。
對(duì)于傳感器的評(píng)價(jià)絕大部分都基于其操作性和生物適應(yīng)性。生物適應(yīng)性，是保證病人感到舒適自然的首要因素，就是指?jìng)鞲衅骷炔挥绊懀�也不被人體影響的程度。例如，既然操作性能由于所處環(huán)境影響而可能下降，因此諸如化學(xué)傳感器一類(lèi)的設(shè)備，其抵抗人體干擾而不受影響的能力，就顯得重要了。由于傳感器設(shè)計(jì)及密封性的持續(xù)改善，傳感器的生物適應(yīng)性近年來(lái)大為提高。

2.血樣監(jiān)控及氧化測(cè)定
    醫(yī)用傳感器近年來(lái)取得了較大進(jìn)展，特別是血－氣探測(cè)傳感器。為了適應(yīng)醫(yī)生的需求，光纖傳感器現(xiàn)在已經(jīng)能夠監(jiān)控血樣中的電介質(zhì)，比如K、Na、Ca。CDI500和AVL9180系統(tǒng)已經(jīng)商品化，它們能夠監(jiān)控血液中的電解質(zhì)及其氣體變化。對(duì)于AVL而言，化學(xué)傳感器是由于離子團(tuán)、空洞和熒光團(tuán)合成的。由藍(lán)光激發(fā)得到的熒光強(qiáng)度，是通過(guò)分析物的濃度所確定的電離產(chǎn)物而調(diào)整的。
    這些傳感器用于離體血液或者體外血－氣平衡分析。最新的血管內(nèi)傳感應(yīng)用是對(duì)早產(chǎn)嬰兒較為嚴(yán)重病情的血－氣監(jiān)控。微型的光線傳感器也已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功了，這種光纖導(dǎo)管（半徑：0.5mm），通過(guò)嬰兒的肚臍帶進(jìn)入導(dǎo)尿管（見(jiàn)Fig 1）。
    氧化物飽和度測(cè)量，就是血紅小板所能攜帶的最大氧化物的含量，目前已經(jīng)取得較大進(jìn)展。對(duì)于大多數(shù)非入侵氧化物而言，主動(dòng)脈中的氧化物飽和度是通過(guò)耳垂或指尖入射的光來(lái)評(píng)介的。此時(shí)，區(qū)分氧化物是源于動(dòng)脈血還是靜脈、貓細(xì)血管或者器官，就格外重要了。為了避免脈沖式氧化物潮的出現(xiàn)，我們就的采取相應(yīng)措施，這些措施基于如下假設(shè)：在心臟收縮期間器官對(duì)光的吸收的變化主要是由于主動(dòng)脈血容的變化引起。因而，脈沖式氧化物含量測(cè)定就必須同步
       
   
    測(cè)量由于心臟收縮導(dǎo)致的吸收波動(dòng)。用于氧化物飽和測(cè)量的兩個(gè)波長(zhǎng)是通過(guò)分析光波脈動(dòng)而確定，而不是通過(guò)透過(guò)或者反射光絕對(duì)強(qiáng)度確定�；�于時(shí)分和波分技術(shù)的氧化測(cè)量技術(shù)正在蓬勃發(fā)展中，他們?cè)O(shè)計(jì)用于區(qū)分器官內(nèi)的吸收和散射而探測(cè)氧化物含量。

3.中風(fēng)分析
   光纖傳感，具有小型化和靈活性的特點(diǎn)，就特別適用于中風(fēng)監(jiān)控這一領(lǐng)域。中風(fēng)是由于大腦供血量下降而引起的一類(lèi)腦血管疾病，主要有兩大類(lèi)型：出血性中風(fēng)和萎縮性中風(fēng)。對(duì)于出血性中風(fēng)，顧名思義，，血流量的減少是由于出血所致；而萎縮性中風(fēng)，血流量的減少或者中斷是由于血管閉塞（如：血小板的節(jié)瘤或者粥樣硬化）而引起的。中風(fēng)引起的腦部供血量中斷時(shí)間長(zhǎng)了，腦細(xì)胞就必然受損。因此，對(duì)于中風(fēng)之后的腦部細(xì)胞狀況的監(jiān)控就顯得重要了。醫(yī)治腦部損傷只有在腦細(xì)胞仍然健活的情況下，神經(jīng)醫(yī)護(hù)用藥才能有效。能評(píng)價(jià)細(xì)胞狀態(tài)的醫(yī)學(xué)參數(shù)是PH值，當(dāng)器官死亡時(shí)產(chǎn)生乳酸，引起血液PH下降。任何數(shù)值低于正常血液PH值（7.4）都預(yù)示著有細(xì)胞的死亡。有關(guān)的新近進(jìn)展包括如下兩個(gè)方面：
（1）.中風(fēng)患處或者近患處，用光纖傳感器測(cè)量PH值。傳感器由管狀光纖尾端裝入用溶膠－凝膠法制得得熒光團(tuán)染色體組成。染色體（半萘甲酰－若單明－羧酸鹽），特征發(fā)射譜有對(duì)ＰＨ值較為敏感的酸性（中心波長(zhǎng)580nm）和堿性(中心波長(zhǎng)640nm)兩種譜帶，此兩種發(fā)射譜都用533 nm泵浦激發(fā)。區(qū)分這兩種特征染色體就要測(cè)定PH值，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，傳感器具有快速反應(yīng)和精度高（0.05PH單位）的特點(diǎn)，精度高于測(cè)量閾值0.1PH。
（2）.D－二聚物是血凝塊溶解時(shí)釋放的一種蛋白質(zhì)，光纖傳感器能夠免疫性測(cè)量D－二聚物含量。這樣，當(dāng)確診為中風(fēng)后所要進(jìn)行的溶化血凝快的手術(shù)治療中，光纖傳感器就能用來(lái)監(jiān)控治療的效果。傳感器是利用對(duì)D－二聚蛋白有選擇性辨認(rèn)能力的D－二聚蛋白抗體而工作的，測(cè)量范圍是0.54 －6.0 的，這個(gè)范圍與D－二聚蛋白濃度的生理濃度較一致，血液中D－二聚物濃度低于0.5 。

4.粥樣硬化分析
    光纖近紅外的光譜分光術(shù)（700－3000nm）就能對(duì)健活器官組織進(jìn)行跟蹤檢查而獲得有用信息，而這種信息用其他的方法無(wú)法獲取。聯(lián)合光纖傳感器與紅外分光術(shù)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
（1） 能夠簡(jiǎn)化傳感器的設(shè)計(jì)與制造
（2） 參數(shù)分析自動(dòng)化
此方面最近的一個(gè)應(yīng)用就是對(duì)粥樣血硬化的在線跟蹤監(jiān)控與化學(xué)分析。粥樣血硬化，就是伴隨在主動(dòng)脈內(nèi)臂快速形成纖維狀鏈接的組織細(xì)胞過(guò)程中的油脂性血液堆積，當(dāng)血液中存在高濃度的脂蛋白時(shí)，就很容易發(fā)生，就會(huì)造成血液通道的收縮或者變窄。
近紅外分光術(shù)，能夠辨別不同種類(lèi)的脂蛋白與油脂，對(duì)于醫(yī)生診斷粥樣硬化的程度而言，就是一種十分重要的工具。光纖導(dǎo)管（參照Fig 2），過(guò)去普遍用于辨認(rèn)粥樣硬化損傷位置，如今可用于損傷的跟蹤與分析。
      

5.胃氣（CO2）檢測(cè)
    用光纖傳感器連續(xù)檢測(cè)胃中CO2氣壓(Fig 3)，對(duì)于評(píng)估組織氧化程度是一個(gè)重要的參數(shù)，這種傳感器正在研發(fā)之中。對(duì)于健康的人體而言，胃中CO2水平與血液中CO2水平相當(dāng)。當(dāng)中風(fēng)或者嚴(yán)重的發(fā)炎時(shí)，胃中氧供量就會(huì)減少，這樣一來(lái)與血液中的CO2相比，胃中CO2濃度就大大提升了。在光電測(cè)量系統(tǒng)中，CO2敏感層隨著CO2濃度上升就會(huì)由藍(lán)色逐漸向黃色變化，經(jīng)由一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換，信號(hào)就能輸入電腦中進(jìn)行分析了，測(cè)量范圍為：0-140 hPa, 精度2.7 hPa, 反應(yīng)時(shí)間＜1min。
      

6.放射理療中的輻射劑量測(cè)定
    目前，還沒(méi)有能夠直接監(jiān)控能導(dǎo)致癌變的輻射劑量。最具發(fā)展?jié)摿Φ娜�種系統(tǒng)是：
（1）.用作輻射傳感器的摻重金屬的光纖節(jié)棒。兩種具有光敏的光纖（一是含60wt％ PbO 的鉛玻璃光纖，另一是Ge－P共摻的石英光纖），內(nèi)置于導(dǎo)管中插入人體測(cè)量，這種系統(tǒng)正在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)中。
（2）.Cu+摻雜的熔融石英棒。在790 nm二極管激光照射下，激活離子可以注射入輻射惰性的光纖中，通過(guò)光子計(jì)數(shù)式的光子倍增管來(lái)分析訪問(wèn)數(shù)據(jù)。在激光照射下，光激發(fā)出的熒光的積分強(qiáng)度正比于入射劑量，在線跟蹤試驗(yàn)中，傳感器輸出為一線性劑量范圍：0-10 Gy（1Gy＝100rad），計(jì)量傳遞速率為100 cGy/min， 與放射理療中劑量一樣。
（3）.輻射傳感的X－ray穿透膜。這種材料是由一層23 的GaCl3單晶膜覆于100 的聚酯樹(shù)脂底基之上構(gòu)成，當(dāng)微晶被照射時(shí)，樹(shù)脂就會(huì)產(chǎn)生單向排列藍(lán)色。試驗(yàn)測(cè)試中，樣品可以承受的X－ray劑量范圍是0-100 Gy。

7.用于溫度與強(qiáng)度檢測(cè)的布拉格光柵
    布拉格光柵對(duì)溫度與強(qiáng)度都具有敏感性，這就使得它適合作如下的應(yīng)用的基質(zhì)材料：
（1）.多點(diǎn)溫度測(cè)量。在線測(cè)試中，用柵長(zhǎng)1mm，柵間距5 mm的光柵連接單模光纖就能得到滿意的效果。
（2）.熱電稀釋性心臟監(jiān)控。當(dāng)一較冷液體注射入心房后，光柵就能探測(cè)到肺動(dòng)脈或者主動(dòng)脈溫度的變化，并且保證心肺導(dǎo)管的完好無(wú)損；整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，完全脫離了電，就能夠保證病人的安全。
（3）.胸肌強(qiáng)度監(jiān)測(cè)。這種測(cè)量也是完全脫離電的，同樣確保病人的安全，目前一種連續(xù)記錄數(shù)據(jù)儀正在研究中。

8.壓力檢測(cè)
    目前，已經(jīng)有如下兩種壓力敏感系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出來(lái)：
（1）.心臟和環(huán)流壓力測(cè)量。 光纖傳感器內(nèi)置于一聚氨基甲酸乙酯的支撐導(dǎo)管中，尾部是曲面反射器，其中一傳感器尖端把由光纖傳輸過(guò)來(lái)的光反射出去，產(chǎn)生光斑，當(dāng)壓力變化時(shí)，反射器產(chǎn)生位移，就改變了光斑，這樣就能夠測(cè)量壓力波動(dòng)。
（2）.心脈管、內(nèi)頭顱、呼吸系統(tǒng)及其中脊椎盤(pán)壓力測(cè)量。SAEKBA壓力傳感器，一光纖與一個(gè)F－B振蕩腔相連。當(dāng)光在空腔中傳播改變，腔內(nèi)光產(chǎn)生干涉的改變，反射光強(qiáng)度就變動(dòng)，就能由與光纖另一端相連的光子探測(cè)計(jì)探測(cè)到。傳感器很容易適應(yīng)于醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，直徑0.36-0.42 mm，壓力0.9-10 bar。

9.發(fā)展趨向
    20世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的Raman光譜儀，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上的一強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)分析工具。兼容光纖傳感與Raman光譜儀就能夠開(kāi)辟一條在線跟蹤監(jiān)測(cè)的醫(yī)療應(yīng)用的道路。乳癌診斷、主動(dòng)脈粥樣硬化確診和血液主成分快速測(cè)定，僅僅是說(shuō)明Raman光譜分析巨大應(yīng)用潛力的三個(gè)例子而已。
另一個(gè)研究去向就是研發(fā)亞微米傳感器，可用于萎縮性中風(fēng)預(yù)防、控制。亞微米傳感，提供了較高的空間溶解度，更快速的反應(yīng)時(shí)間，這樣就能克服用于腦細(xì)胞中谷氨酸無(wú)損監(jiān)控的障礙。傳感器能夠探測(cè)發(fā)射光譜，而反射光譜是谷氨酸與NDA+的產(chǎn)物。對(duì)于谷氨酸,亞微米傳感作為探測(cè)一系列生化參數(shù)的基質(zhì)材料而開(kāi)發(fā)的，可以探測(cè)PH值、Ca、Pt、Ni、NDA。

10.結(jié)論
    光纖傳感器在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用范圍正在穩(wěn)步拓寬，最近的傳感器已經(jīng)可以廣泛用于：血－氣監(jiān)控、氧化測(cè)定及粥樣硬化分析等等方面。已經(jīng)在試驗(yàn)中取得較好結(jié)果，即將可以應(yīng)用的主要用于在線跟蹤監(jiān)控，比如，胃氣CO2氣體探測(cè)、輻射劑量測(cè)定、溫度及其強(qiáng)度監(jiān)控和壓力監(jiān)控。光纖Raman光譜分析術(shù)及其微型光纖探測(cè)器中的亞微米傳感探測(cè)是發(fā)展趨勢(shì)，將來(lái)肯定會(huì)大有發(fā)展。