光纖壓力傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用

【作 者】周文秀，侯文博，張海軍,

1 生物醫(yī)用材料改性技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，德州市，251100 2 同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院介入血管研究所，上海市，200072

0 引言

人體內(nèi)壓力受內(nèi)力（體液、組織等）和外力（重力、大氣壓力等）的影響，測量體內(nèi)壓力是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵，例如心血管及泌尿系統(tǒng)的壓力測量，外科手術(shù)及侵入式治療時的壓力測量等。過去常用的以導(dǎo)管或?qū)Ыz為基礎(chǔ)的醫(yī)療測壓工具，在泌尿科及心血管測壓中被廣泛的使用。但無論是導(dǎo)絲壓力傳感器還是導(dǎo)管壓力傳感器，均是基于機(jī)電式壓力傳感器的工作原理，其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，且成本較高[1]。光纖壓力傳感器因具有穩(wěn)定性好、靈敏度高、可靠性高、精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，作為機(jī)電式壓力傳感器的替代品，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。本文將對光纖壓力傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述，并對其發(fā)展做出一些展望。

1 光纖壓力傳感器發(fā)展歷程

自二十世紀(jì)七十年代中期，人們逐漸意識到光纖不僅具有傳光性，其本身也可構(gòu)成直接進(jìn)行信息交換的元件，伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通訊技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器技術(shù)也迅速發(fā)展起來。光纖傳感器是基于光纖本身的性能，把待測的量和光纖的各種參數(shù)結(jié)合起來，從而將被測信號以光信號的形式傳出。二十世紀(jì)九十年代，光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,FBG）傳感器出現(xiàn)，促進(jìn)了人們將光纖壓力傳感器應(yīng)用于人體壓力監(jiān)測的研究。隨著微細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步（例如光纖的熔接機(jī)，激光器和混合光電設(shè)備的可用性），人們對傳感器精度的要求也越來越高，出現(xiàn)了基于法布里-珀羅原理腔體結(jié)構(gòu)的傳感器，其中非本征型光纖琺珀干涉?zhèn)鞲衅鳎‥xtrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometric Sensor，EFPI）是其中的典型代表。EFPI原理是輸入光被反射后光程發(fā)生變化，通過感知到的光譜偏移量確定被測參數(shù)[2]。EFPI不僅克服了強(qiáng)度調(diào)制的缺點，還具有更高的靈敏度和精度，代表著光纖傳感器又一重大的技術(shù)進(jìn)步[3]。

2 光纖壓力傳感器在醫(yī)療上的應(yīng)用

光纖傳感器應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)（人體內(nèi)或體外）已應(yīng)用了幾十年，在很多醫(yī)療領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用。LINDSTROM[4]于二十世紀(jì)七十年代首次提出醫(yī)用玻璃纖維壓力傳感器，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，光纖材料種類不斷增多，塑料、氧化物玻璃等都有被使用的報道。相關(guān)研究表明，二氧化硅玻璃纖維具有良好的生物相容性，且以其為原材料的光纖具有良好的MRI兼容性，能夠不受射頻和微波干擾，大大提高了測量精度。光纖傳感器為醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域提供了一種嶄新的方法，且已廣泛應(yīng)用于人體內(nèi)壓力的測量。目前臨床上應(yīng)用的光纖壓力傳感器主要用來測量血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓、胃腸道壓力、氣管壓力、呼吸壓、膀胱和尿道壓力等。

2.1 對心血管及血液壓力的監(jiān)測

心臟類疾病是困擾人類的重大疾病之一，據(jù)美國心臟協(xié)會報道，美國在2011年約有60萬人因心臟病而死亡，心臟病的治療費用每年也高達(dá)兩千多億美元。另外，體內(nèi)血壓的測量對手術(shù)治療心臟類疾病具有重要的參考價值。因此將成本低、有效性好的光纖壓力傳感器應(yīng)用于心血管及血液壓力監(jiān)測成為了研究熱點。REESINK等[5]利用光纖傳感器進(jìn)行侵入式心臟測壓的可行性進(jìn)行研究，與心血管內(nèi)測壓的標(biāo)準(zhǔn)方法Millar導(dǎo)管（SPC-320）、Baxter單流式外部壓力傳感器及Sentron測壓設(shè)備等進(jìn)行山羊主動脈測壓比較，結(jié)果顯示光纖系統(tǒng)具有更高的動態(tài)準(zhǔn)確度。此外，WU等[6]用光纖壓力傳感器對豬的主動脈弓和右冠狀動脈兩點進(jìn)行血壓測量，并利用球囊模擬冠狀動脈狹窄，測量狹窄后兩點血壓，對兩者進(jìn)行比較。實驗表明，在利用光纖壓力傳感器進(jìn)行血管壓力測量時，光纖在彎曲時存在光強(qiáng)損耗，通過寬帶信道的信號進(jìn)行補(bǔ)償，能夠精確地記錄冠狀動脈狹窄引起的血壓峰值及峰值恢復(fù)的過程。心血管及血液壓力的監(jiān)測是一個動態(tài)的過程，且在手術(shù)過程中往往會有電磁系統(tǒng)的干擾，機(jī)電式壓力傳感器測壓時，不僅會有電氣安全方面的隱患，還會受電磁的干擾。光纖壓力傳感器作為光學(xué)儀器，不受到電磁的干擾，且本身不帶電流，消除了手術(shù)中因電氣故障誘發(fā)心室顫動或心臟驟停等意外的可能。另外，相對于機(jī)電式壓力傳感器，光纖壓力傳感器具有更小的體積，可滿足狹小空間部位的測壓要求，為醫(yī)療診斷或手術(shù)操作帶來更多的便利。

2.2 顱內(nèi)壓力監(jiān)測

正常情況下人的顱內(nèi)壓力會保持在一定的壓力范圍，而當(dāng)顱內(nèi)發(fā)生某些病變或損傷時會導(dǎo)致顱內(nèi)壓力發(fā)生變化，因此進(jìn)行顱內(nèi)壓監(jiān)測對診斷顱內(nèi)病癥、指導(dǎo)手術(shù)進(jìn)程起著非常重要的作用。通常，顱內(nèi)壓監(jiān)測是通過在開顱手術(shù)或鉆孔手術(shù)過程中植入顱內(nèi)壓傳感器進(jìn)行，這不僅會對患者造成二次創(chuàng)傷，也給傳感器的植入帶來不便，且會影響顱內(nèi)壓監(jiān)測的準(zhǔn)確性。光纖傳感器因其體積優(yōu)勢，可直接通過微創(chuàng)穿刺術(shù)進(jìn)入監(jiān)測部位，很好地滿足了顱內(nèi)壓監(jiān)測的需要，因此成為目前最受關(guān)注的顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)方式之一。MURTHA等[7]將光纖壓力傳感器應(yīng)用于動物模型，進(jìn)行硬膜外顱內(nèi)壓測量，并和充液導(dǎo)管及充氣導(dǎo)管進(jìn)行比較。相比之下，光纖壓力傳感器具有更高的保真度，不易產(chǎn)生氣泡，也不易對腦組織造成損傷。BEKAR等[8]分析了光纖壓力傳感器在顱內(nèi)壓監(jiān)測中的危險因素，631名患者的臨床試驗感染率僅為1.8%，遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品的感染率。國內(nèi)也有關(guān)于用于顱內(nèi)壓監(jiān)測的光纖壓力傳感器研究報道，一種膜片式光纖琺珀壓力傳感器，其靈敏度高達(dá)39.2 nm/kPa，壓力測量分辨率為133 Pa，線性擬合度為99.9%，能夠很好地滿足顱內(nèi)壓監(jiān)測的需要[9]。由以上報道及研究數(shù)據(jù)可知，光纖壓力傳感器應(yīng)用于顱內(nèi)壓監(jiān)測的優(yōu)勢在于其體積小，具有良好的生物相容性，因而會降低患者的感染率，延長測壓時間，在危重腦外科患者中的應(yīng)用優(yōu)勢尤為明顯。

2.3 氣道壓力監(jiān)測

對病人進(jìn)行機(jī)械通氣時可能導(dǎo)致肺部損傷，高氣壓道則是導(dǎo)致肺部損傷的主要因素[10]，因此在機(jī)械通氣時準(zhǔn)確、及時地監(jiān)測氣道壓力十分重要。氣道壓力一般利用呼吸機(jī)測量，但誤差較大，且無法準(zhǔn)確區(qū)分支氣管壓力和主氣道壓力。光纖壓力傳感器利用光纖的微彎效應(yīng)損耗機(jī)制，在肺部手術(shù)插入雙腔導(dǎo)管后，經(jīng)正確定位，雙腔管的左右管腔分別位于支氣管和主氣道內(nèi)，可分別測定支氣管壓力和主氣道壓力。另外，采用光纖壓力傳感器直接測壓可有效避免呼吸回路、人工濕化器、連接器、氣管導(dǎo)管等因素的影響[11]。光纖壓力傳感器監(jiān)測氣道壓力的優(yōu)勢還在于壓力感受器位于傳感器頭端，氣道內(nèi)壓力直接刺激感受器內(nèi)膜產(chǎn)生信號，可反應(yīng)出氣道細(xì)微壓力變化，有助于及時、準(zhǔn)確地了解氣道的壓力情況及開胸手術(shù)的氣道管理[12]。

2.4 胃腸道壓力

對胃腸道進(jìn)行壓力監(jiān)測，可發(fā)現(xiàn)胃腸道早期病癥，有利于對患者進(jìn)行早期治療。ARKWRIGHT等[13]利用基于FBG陣列（FBGs）的測壓導(dǎo)管，對結(jié)腸運動壓力進(jìn)行了監(jiān)測，揭示了結(jié)腸壓力的復(fù)雜情況，測試分辨率高出一般標(biāo)準(zhǔn)。該陣列有多個傳感元件，放置于升結(jié)腸、橫結(jié)腸、降結(jié)腸和乙狀結(jié)腸中，將壓力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變。該團(tuán)隊也曾利用FBGs對胃腸道蠕動波進(jìn)行監(jiān)測，得到了完整的胃腸道壓力圖，且證明傳感器適用于消化道其他區(qū)域的壓力監(jiān)測[14]。有研究者利用該種類型的FBGs對10名正常人的結(jié)腸肌肉活動進(jìn)行壓力監(jiān)測，提供了首個描述結(jié)腸運動模式的高分辨率測壓記錄，并顯示出大量的逆行傳播運動模式[15]。另外，光纖壓力傳感器對食道、咽部等部位的壓力測量也有報道，均能達(dá)到良好的測壓效果。

2.5 膀胱和尿道壓力

在尿動力學(xué)研究過程中進(jìn)行的與下尿路（LUT）相關(guān)的壓力測量需要在尿道、膀胱和腹部進(jìn)行，這種測量分析對診斷膀胱相關(guān)疾病非常重要。 尿動力學(xué)分析作為定位病理性梗阻的方法起著關(guān)鍵作用。POEGGEL等[16]測試了一種侵入性尿動力學(xué)壓力測量的光纖傳感系統(tǒng)，傳感器探頭基于法布里—珀羅原理設(shè)計，靈敏度高達(dá)-1.0～1.6 nm/kPa，在尿動力學(xué)分析的整個過程中，傳感器探頭被嵌入4F的醫(yī)用導(dǎo)管中用于膀胱和腹部的壓力測量，壓力軌跡與常規(guī)尿動力學(xué)儀器進(jìn)行比較，顯示出更高的精確度和對局部壓力響應(yīng)度。

2.6 其他領(lǐng)域的應(yīng)用

除以上應(yīng)用之外，光纖壓力傳感器在測量椎間盤壓力、分娩時子宮壓力、足底壓力和剪切力、耳蝸內(nèi)壓、眼壓，與射頻消融相結(jié)合的測壓用于癌癥治療[17-22]等也曾有應(yīng)用報道。

3 結(jié)論與展望

人體內(nèi)壓力監(jiān)測作為光纖壓力傳感器應(yīng)用的熱點，其商業(yè)化速度不斷加快。目前，美國有十多家單位從事醫(yī)用光纖傳感器的研制；日本、英國等國家在該領(lǐng)域的研究也趨于成熟；中國作為后起之秀，發(fā)展速度萬眾矚目。通過以上研究及綜述，一種優(yōu)質(zhì)的用于人體內(nèi)壓力監(jiān)測的傳感器應(yīng)有如下特點：①體積?。虎谏锵嗳菪院?；③性能穩(wěn)定；④具有足夠高的精確度和靈敏度；⑤能夠捕捉壓力的動態(tài)變化；⑥無電氣安全隱患；⑦電磁兼容性高等。光纖壓力傳感器以光為信號，玻璃為傳導(dǎo)介質(zhì)，傳感器本身不帶有電流，因而其既不會受電磁的干擾，也避免了電氣安全隱患；玻璃的性質(zhì)穩(wěn)定，吸濕率底，生物相容性高，不會引起組織反應(yīng)；傳感器探頭體積小，可滿足人體內(nèi)很多部位的壓力測量；此外，以光作為系統(tǒng)信號，提高了測量結(jié)果的精確度和靈敏度，且能實時感知光信號的變化，對壓力進(jìn)行實時監(jiān)測。光纖壓力傳感器作為一種優(yōu)質(zhì)的測壓工具，為醫(yī)療領(lǐng)域提供了一種更加安全、有效的測壓方式，且隨著制作工藝的發(fā)展，其性能逐漸提高，將會不斷地為人體內(nèi)壓力測量帶來新的技術(shù)變革，推動醫(yī)療行業(yè)的飛速發(fā)展。