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)用來直接測量一些生物醫(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，主要有三種類型的傳感器：無損傳感器，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傳感器；有損傳感器，此類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。
（1）.光纖傳感器的小型化及靈活性。它可以插入小型的測量計和皮下注射針孔中，可以起定位和微損監(jiān)控。
（2）.光纖傳感器是無毒、非化學(xué)活性的及其本質(zhì)上對介入人體的應(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)備一起而沒有電磁感應(yīng)及其干擾，這對于保證病情監(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。
對于傳感器的評價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，就是指傳感器既不影響，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)計及密封性的持續(xù)改善，傳感器的生物適應(yīng)性近年來大為提高。

2.血樣監(jiān)控及氧化測定
    醫(yī)用傳感器近年來取得了較大進展，特別是血－氣探測傳感器。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。對于AVL而言，化學(xué)傳感器是由于離子團、空洞和熒光團合成的。由藍(lán)光激發(fā)得到的熒光強度，是通過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)開發(fā)成功了，這種光纖導(dǎo)管（半徑：0.5mm），通過嬰兒的肚臍帶進入導(dǎo)尿管（見Fig 1）。
    氧化物飽和度測量，就是血紅小板所能攜帶的最大氧化物的含量，目前已經(jīng)取得較大進展。對于大多數(shù)非入侵氧化物而言，主動脈中的氧化物飽和度是通過耳垂或指尖入射的光來評介的。此時，區(qū)分氧化物是源于動脈血還是靜脈、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光的吸收的變化主要是由于主動脈血容的變化引起。因而，脈沖式氧化物含量測定就必須同步
       
   
    測量由于心臟收縮導(dǎo)致的吸收波動。用于氧化物飽和測量的兩個波長是通過分析光波脈動而確定，而不是通過透過或者反射光絕對強度確定�；�于時分和波分技術(shù)的氧化測量技術(shù)正在蓬勃發(fā)展中，他們設(shè)計用于區(qū)分器官內(nèi)的吸收和散射而探測氧化物含量。

3.中風(fēng)分析
   光纖傳感，具有小型化和靈活性的特點，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腦血管疾病，主要有兩大類型：出血性中風(fēng)和萎縮性中風(fēng)。對于出血性中風(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間長了，腦細(xì)胞就必然受損。因此，對于中風(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)護用藥才能有效。能評價細(xì)胞狀態(tài)的醫(yī)學(xué)參數(shù)是PH值，當(dāng)器官死亡時產(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)的新近進展包括如下兩個方面：
（1）.中風(fēng)患處或者近患處，用光纖傳感器測量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ＰＨ值較為敏感的酸性（中心波長580nm）和堿性(中心波長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定PH值，實驗室試驗中，傳感器具有快速反應(yīng)和精度高（0.05PH單位）的特點，精度高于測量閾值0.1PH。
（2）.D－二聚物是血凝塊溶解時釋放的一種蛋白質(zhì)，光纖傳感器能夠免疫性測量D－二聚物含量。這樣，當(dāng)確診為中風(fēng)后所要進行的溶化血凝快的手術(shù)治療中，光纖傳感器就能用來監(jiān)控治療的效果。傳感器是利用對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，測量范圍是0.54 －6.0 的，這個范圍與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）就能對健活器官組織進行跟蹤檢查而獲得有用信息，而這種信息用其他的方法無法獲取。聯(lián)合光纖傳感器與紅外分光術(shù)主要有兩個優(yōu)點：
（1） 能夠簡化傳感器的設(shè)計與制造
（2） 參數(shù)分析自動化
此方面最近的一個應(yīng)用就是對粥樣血硬化的在線跟蹤監(jiān)控與化學(xué)分析。粥樣血硬化，就是伴隨在主動脈內(nèi)臂快速形成纖維狀鏈接的組織細(xì)胞過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，就很容易發(fā)生，就會造成血液通道的收縮或者變窄。
近紅外分光術(shù)，能夠辨別不同種類的脂蛋白與油脂，對于醫(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
    用光纖傳感器連續(xù)檢測胃中CO2氣壓(Fig 3)，對于評估組織氧化程度是一個重要的參數(shù)，這種傳感器正在研發(fā)之中。對于健康的人體而言，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，胃中氧供量就會減少，這樣一來與血液中的CO2相比，胃中CO2濃度就大大提升了。在光電測量系統(tǒng)中，CO2敏感層隨著CO2濃度上升就會由藍(lán)色逐漸向黃色變化，經(jīng)由一個A/D轉(zhuǎn)換，信號就能輸入電腦中進行分析了，測量范圍為：0-140 hPa, 精度2.7 hPa, 反應(yīng)時間＜1min。
      

6.放射理療中的輻射劑量測定
    目前，還沒有能夠直接監(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)管中插入人體測量，這種系統(tǒng)正在實驗室開發(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，通過光子計數(shù)式的光子倍增管來分析訪問數(shù)據(jù)。在激光照射下，光激發(fā)出的熒光的積分強度正比于入射劑量，在線跟蹤試驗中，傳感器輸出為一線性劑量范圍：0-10 Gy（1Gy＝100rad），計量傳遞速率為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 的聚酯樹脂底基之上構(gòu)成，當(dāng)微晶被照射時，樹脂就會產(chǎn)生單向排列藍(lán)色。試驗測試中，樣品可以承受的X－ray劑量范圍是0-100 Gy。

7.用于溫度與強度檢測的布拉格光柵
    布拉格光柵對溫度與強度都具有敏感性，這就使得它適合作如下的應(yīng)用的基質(zhì)材料：
（1）.多點溫度測量。在線測試中，用柵長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，光柵就能探測到肺動脈或者主動脈溫度的變化，并且保證心肺導(dǎo)管的完好無損；整個測量過程中，完全脫離了電，就能夠保證病人的安全。
（3）.胸肌強度監(jiān)測。這種測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
    目前，已經(jīng)有如下兩種壓力敏感系統(tǒng)開發(fā)出來：
（1）.心臟和環(huán)流壓力測量。 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來的光反射出去，產(chǎn)生光斑，當(dāng)壓力變化時，反射器產(chǎn)生位移，就改變了光斑，這樣就能夠測量壓力波動。
（2）.心脈管、內(nèi)頭顱、呼吸系統(tǒng)及其中脊椎盤壓力測量。SAEKBA壓力傳感器，一光纖與一個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，反射光強度就變動，就能由與光纖另一端相連的光子探測計探測到。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)域上的一強有力的實驗分析工具。兼容光纖傳感與Raman光譜儀就能夠開辟一條在線跟蹤監(jiān)測的醫(yī)療應(yīng)用的道路。乳癌診斷、主動脈粥樣硬化確診和血液主成分快速測定，僅僅是說明Raman光譜分析巨大應(yīng)用潛力的三個例子而已。
另一個研究去向就是研發(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)時間，這樣就能克服用于腦細(xì)胞中谷氨酸無損監(jiān)控的障礙。傳感器能夠探測發(fā)射光譜，而反射光譜是谷氨酸與NDA+的產(chǎn)物。對于谷氨酸,亞微米傳感作為探測一系列生化參數(shù)的基質(zhì)材料而開發(fā)的，可以探測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、氧化測定及粥樣硬化分析等等方面。已經(jīng)在試驗中取得較好結(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、輻射劑量測定、溫度及其強度監(jiān)控和壓力監(jiān)控。光纖Raman光譜分析術(shù)及其微型光纖探測器中的亞微米傳感探測是發(fā)展趨勢，將來肯定會大有發(fā)展。