發布日期：2022-10-09 點擊率：55
背景：人體內壓力尤其是食道曲張靜脈壓力監測是近年來研究的熱點，光纖傳感器在人體內壓力監測方面取 得了較大的進展。
目的：綜述光纖傳感器在人體內壓力監測中的應用。
方法：以“光纖傳感器，壓力，測量；fiber optical sensor, pressure, measurement”為檢索詞，應用計算機
結果與結論：與傳統傳感器相比，光纖傳感器具有靈敏度高、動態范圍大、響應速度快、不受電磁干擾、防 爆防燃、防腐蝕等優點，已被用于食道靜脈曲張壓力、顱內壓、咽部壓力、小兒氣管內壓力、心血管及血液 壓力、椎間盤壓力、分娩時子宮內壓力、結腸內壓力、足底壓力和剪切力等人體壓力的測量。可見光纖傳感 器在醫學中壓力監測方面的應用越來越廣泛，相信隨著制作技術的成熟和器件性能的不斷提高，不久的將來 光纖傳感器將會進一步推動醫學的快速發展。
20世紀70年代中期，人們開始意識到光纖不僅具 有傳光的特性，而且本身就可以構成一種直接交換信 息的元件。光纖傳感器具有傳統傳感器所不可比的優 點：靈敏度高、動態范圍大、響應速度快、不受電磁 干擾、防爆防燃、防腐蝕、易于遠距離遙測、保密性 好、質量輕、機械強度高等[1]。
光纖主要應用于通訊領域，以提供低電子噪聲、 高帶寬、低損耗的通道。而由聚合物、玻璃或其他特 殊材料制成的光纖已經在生物醫學傳感中應用了半 個世紀。
早期光纖主要使用于遠距離觀測中，但最近應用 范圍不斷拓寬。隨著光纖傳感技術和通信技術的迅速 發展與應用，光纖傳感器得到了越來越廣泛的應用。 光纖傳感器種類較多，如光纖測氧計、光纖血流計、 光纖體溫計等，文章主要介紹光纖壓力傳感器，現將 光纖傳感器在人體內壓力的監測應用做一綜述。
1.1資料來源
應用計算機檢索CNK丨和PubMed數 據庫中1983年1月至2013年3月關于光纖傳感器測壓 的文章，在標題和摘要中以“光纖傳感器，壓力，測 量”或 “fiber optic sensor, pressure, measurement”為檢索詞進行檢索。最終選擇關于光纖傳感器在人體內壓力監測中 的40篇文獻進行綜述。
1.2入選標準
納入標準：①具有創新性的原創文章。②論點鮮明，論據可靠。③對同一領域內，選擇發表在近期或 者權威性雜志上的文獻。
排除標準：論點陳舊，研究重復。
1.3質量評估計算機初檢得到136篇文獻，通過閱 讀題名與摘要，排除與究目的、內容不相關及研究重 復的文章80篇，對其余56篇查找全文，最后保留與納 入完全符合標準的40篇文章進行整理分析。
2 結果
2.1 光纖傳感器的基本工作原理光纖傳感器的基本
工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，使 待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光 學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態等) 發生變化，成為被調制的信號光，在經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數。
光纖傳感器的測量原理有2種。①物性型光纖傳感器原理，物性型光纖傳感器是利用光纖對環境變化 的敏感性，將輸入物理量變換為調制的光信號。其工 作原理基于光纖的光調制效應，即光纖在外界環境因 素，如溫度、壓力、電場、磁場等改變時，其傳光特 性，如相位與光強，會發生變化的現象。因此，如果 能測出通過光纖的光相位、光強變化，就可以知道被 測物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或 功能型光纖傳感器。激光器的點光源光束擴散為平行 波，經分光器分為兩路，一為基準光路，另一為測量 光路。外界參數(溫度、壓力、振動等)引起光纖長度 的變化和相位的光相位變化，從而產生不同數量的干 涉條紋，對它的模向移動進行計數，就可測量溫度或 壓等。②結構型光纖傳感器原理，結構型光纖傳感器是由光檢測元件(敏感元件)與光纖傳輸回路及測量電 路所組成的測量系統。其中光纖僅作為光的傳播媒 質，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。
2.2 對顱內壓的監測暴露于爆炸波時可引起腦部損 傷，目前爆炸波所導致的準確腦部損傷機制仍不明 確。Chavko等[3]將光纖壓力傳感器用于監測爆炸時 大鼠腦部的壓力波。光纖傳感器被放置于大鼠第三腦 室，該大鼠暴露于40 kPa沖擊波的充氣壓力驅動激 波管中。傳感器是由硅股制成的膜組成的微小 Fabry-Perot腔，該膜為壓力敏感元件。當作用于傳 感器的壓力增加時，硅股膜發生變形，傳感器 Fabry-Perot腔被壓縮。由于傳感器連接在多模光纖 上，該多模光纖可以傳導傳感器和信號調整器之間的光纖信號。
這種微小壓力傳感器分辨率及頻率響應可以用來研究能量轉換，該能量轉換可以作為人體不同部分 暴露于爆炸區的結果，這樣可以對損傷機制有更好的 了解，并制定更好的保護措施來應對爆炸波所致損 傷。增高的顱內壓是缺血性腦損傷，包括腦卒中、腦 損傷和心臟驟停過程中亟需解決的問題之一。臨床中 目前的治療是控制升高的顱內壓，有必要在動物模型 中對顱內壓進行監測，更深一步了解發生機制、提出 新的治療方法。目前測量顱內壓的方法為導管插入 法，這種心室內導管插入法已成為人顱內壓測量的金 標準[4]。但這種測壓方法要去除部分頭顱骨，導管插 入腦組織中是一種有創性檢查方法，心室導管有 60/〇-11°/〇的感染率，并不被臨床所接受[5]。Murtha 等問將光纖傳感器用于老鼠硬膜外顱內壓監測，具有 很高的壓力保真度。將傳感器放置于硬膜外而不是腦 組織，通過實驗表明光纖傳感器可以準確、敏感地檢 測顱內壓，且不會對腦部造成重大損傷。
Tamburrini 等[7]將光纖壓力傳感器用于連續監測顱內壓，實驗結 果表明光纖設備所測得的壓力結果可靠、且并發癥 少。Gelabert-Gonzalez 等[8]提出 Camino 傳感器仍 然是危重腦外科患者中最常用的顱內壓監測設備，該系統提供了可靠的顱內壓測量，且可以體內重新校準，技術上的并發癥發生率低。
2.3 咽部壓力的測量咽部壓力的測量是診斷呑咽功能方法之一。Takeuchi等[9]將光纖傳感器用于測量咽 部壓力，對呑咽進行分析。該傳感器是由對流體和空 氣敏感的光纖壓力傳感器及其附件組成。附件由薄的 聚四氟乙烯管、苯乙烯管、硅樹脂管和生理鹽水組成。 聚四氟乙烯管的壓力敏感部件長度為15 mm，該數 值是以食管上括約肌的壓力區域的平均寬度為依據 而設計的。苯乙烯管可以幫助傳感器插入到咽部，生 理鹽水為不可壓縮的流體，可以傳遞壓力到傳感器膜 上。因此，光纖測壓計可以充分探測出食糜運動誘導 的食管胃橫向壓力和吸入壓力。在咽部測壓中食管胃 段產生的壓力有重要的作用。將光纖傳感器用于患者 咽部測壓，該患者沒有咽部和上消化道的功能紊亂， 在內鏡監測時比較光纖咽部測壓計和傳統壓力傳感器檢測結果，發現光纖咽部測壓計具有光學傳感器及 傳統固態傳感器的特征，所測得的壓力結果與傳統測 壓結果呈線性相關。
2.4 小兒氣管內壓力測量呼吸監測是評價機體生理 狀態的最重要的一個部分，它可以提供心血管系統、 神經系統、呼吸系統重要信息，小兒科重癥特別護理 時呼吸監測是必要的。Sondergaard等[10]使用光纖傳 感器用于小兒呼吸時監測氣管內壓力，該壓力傳感器 由直徑0.42 mm微型硅傳感器芯片和直徑0.25 mm 光纖傳導纖維組成，它是基于光纖干涉原理設計而成 的，設計變量可以涵蓋不同的壓力范圍。實驗結果表明，在氣小兒管插管時光纖傳感器提供了一個可靠的 和有前景的氣管壓力測量。Silberberg等[11]使用光纖 傳感器測量極低出生體質量嬰兒氣道壓力。結果發 現，光纖傳感器直接測量通風良好嬰兒的方法是可行 的，結果是可靠的，且該結果可以推導肺功能的信息， 指導呼吸機管理。
2.5對心血管及血液壓力的監測 Narendran等介紹了一種基于白光干涉的光纖壓力傳感器。將一個薄 膜的光楔干涉儀放置在輸出端檢測反射信號，這是一 個獨特的膜片偏轉，這種檢測方案的幾個關鍵特性， 包括低漂移、精度高、且對光損耗因子不敏感。 Reesink等指出光纖系統血液壓力監測時具有可 靠性及高保真性。Woldbaek等將一種新的光纖 壓力記錄系統，即Samba用于記錄離體老鼠的心血 管系統測量。Samba由一個薄的光纖（外直徑為 0.25 mm)和硅芯充填的傳感器組成，該傳感器位于光 纖末端。傳感器芯片上的膜可以隨著壓力的改變而發 生形變。該形變可以被光纖系統檢測出來。實驗發現 Samba傳感器可以準確測量鼠左心室壓力，且具有 穩定性高，不影響實驗鼠的中心血液動力學變化等優 點。Myllyla等提出利用光纖傳感器在磁共振掃描 時無創性監測血壓。以動脈血壓里脈搏波傳播速度為 基礎，該裝置利用獲得的結果來估計舒張壓。脈沖傳 播時間被放置于胸主動脈和頸動脈的兩個光纖加速 器所測量。該加速器由兩束抗靜電的纖維和一個懸臂 梁組成，懸臂梁的自由端彎曲成90°，這樣便可以作 為反射面。光纖纖維可以用作光源，并且可以接收反 射光。實驗發現MR丨檢查與非侵入性的光纖傳感器 測壓具有兼容性。
心包穿刺具有穿刺失敗和穿孔的高風險。 Tucker-Schwartz等[16]使用了精密的光纖壓力傳感器和一個新的信號分析法，用于識別可允許的安全穿刺 進入心包腔的壓力頻率。實驗表明，使用壓力頻率信 號識別心包穿刺的部位具有很高的功效，該結果可以 為心臟病專家提供心包壓力頻率信號，這樣可以更安 全地行心包穿刺，并為某些心臟病患者提供重要的治療方法。
2.6椎間盤壓力測量椎間盤壓力是描述脊柱負載條件的一種重要方法，了解椎間盤壓力機制對于椎間盤 損傷和退化的病因學十分重要。Guehring等[17]將光 纖壓力傳感器用于測定椎間盤壓力，該光纖傳感器由 一個硅傳感元件和附著的光纖纖維組成。通過測量兔 的腰椎壓力，發現光纖壓力傳感器裝置是一種評價椎 間盤壓力的一種準確方法，且不會對椎間盤造成重大損傷。
Nesson等[18]將微型光纖壓力傳感器用于測量椎 間盤破裂時壓力，傳感器元件由一個隔膜結構作為壓力傳感器，當傳感器元件被插到嚙動物的尾巴里，在 外界壓力下，隔膜產生形變，隔膜的偏向為壓力改變 的一個函數，可以被光纖診斷系統檢測出來。實驗發 現，光纖傳感器測出的椎間盤核壓力與外在負載的壓 力呈線性相關，且這種線性關系與之前測得人類和豬 椎間盤破裂時壓力的結果一致。Dennison等[19]使用 光纖布拉格光柵測量腰椎間盤壓力，所測得的數據與 之前使用其他類型傳感器測得的壓力一致，且與現有 的壓力測量方法相比，使用光纖布拉格光柵測量壓力 對脊柱生物機械學有很少的破壞性。
2.7分娩時子宮內壓力測量孕婦分娩時子宮內壓力是變化的，目前亟需一種簡單可靠的方法用來測量分娩 活躍期子宮內壓力變化。Svenningsen等[20]將光纖傳 感器用于測量子宮內壓力，光纖傳感器由兩端分開的光纖束組成，該光纖束末端由壓力敏感的不銹鋼膜組 成。光纖在圓錐體發光，其強度由光纖的物理性能決 定。大量孕婦分娩實驗結果表明該光纖傳感器測得的 壓力與實際內壓力高度一致性，且不會對胎兒有損害。
2.8結腸測壓的應用便秘影響了 15%-27%的西方人群。結腸傳播的壓力波或者傳播的順序是腸腔 運動和排便的重要決定因素。結腸傳播順序的改變是結腸功能紊亂的重要標記[25-27]。Arkwright等使用光纖導管測量結腸壓力，發現該傳感器可以記錄 類結腸的24h蠕動收縮，并能分析結腸復雜的運動模式。
2.9足底壓力和剪切力測量糖尿病是一種影響成千上 百萬人生活質量的一種疾病，糖尿病引起的下肢并發 癥包括足底潰瘍，該并發癥可以導致感染或后來的截 肢。足底壓力被認為與潰瘍的發展有關[29-30]，Delbridge 等[31]提出剪切力是潰瘍進展的一個重要的組成部分。 Wang等[32將光纖傳感器用來測量足底壓力和剪切力， 該傳感器由被彈性襯墊分開的垂直于行和列的光纖纖 維組成，兩束相鄰垂直光纖維的物理形變引起強度衰 減以宏觀彎曲形式表現出來，以該彎曲為基礎，繪制 正常的和剪切壓力圖，實驗結果發現該傳感器可以用 來測量足底壓力和剪切力，且重復性較好。
2.10食道曲張靜脈壓力監測食管靜脈曲張出血是 肝硬化嚴重的和威脅生命的并發癥之一。決定曲張靜脈是否破裂出血的直接因素是血管壁張力。根據流體 學Laplace定律:血管壁張力=(血管內壓-血管外壓)x 血管口徑/血管厚度，血管內壓力是根本因素，血管 內壓高，血管擴張而直徑增大，管壁厚度隨之變薄， 于是血管壁張力增大，當張力越過管壁彈性極限時血 管破裂而發生大出血[33]。研究發現，曲張靜脈壓力較 肝靜脈壓力梯度(HVPG)能更直接預測出血風險并判 斷防治出血效果，因此測量食道曲張靜脈壓顯得尤為 重要[34-35]。
血管穿刺測壓是檢測食道曲張靜脈壓“金標準”， 但有引起出血、感染的風險[36]。無創性測壓方法是檢 測技術發展的方向，但由于壓力傳感器受食管蠕動等 影響其穩定性，因此測壓結果存在主觀誤差[37]。
近年來研究發現，光纖壓力傳感器具有傳統壓 力傳感器所不可比的優點：靈敏度高、動態范圍大、 響應速度快、穩定性高[1]，并已成功應用于許多領域， 如血管內血壓、顱內壓、心內壓、膀胱和尿道壓力 等檢測已替代傳統方法[38-39]。基于此，作者與江蘇 久虹醫療器械有限公司合作，開發“光纖壓力傳感器 的食管曲張靜脈測壓系統”，該光纖壓力傳感器由光 接收器、光電轉換、數模轉換光源和電源管理等5 個模塊組成，設計一個包括壓力敏感探頭(由加拿大 opsens solutions研制）、接收裝置和數據處理終端 為一體的測量系統，將壓力敏感探頭過內窺鏡的活 檢通道置于探測部位，再將探頭獲取的壓力應變光 信號通過光纖傳導至接收裝置，在接收裝置中設置 光電轉換模塊和模/數(A/D)轉換模塊，依次將測量數 據調并轉換為模擬電信號再轉換為數字信號。選擇 一款合適的掌上電腦(PDA)作為采樣信號的處理終 端，通過數據接口與接收裝置鏈接，分析報告并記 錄存儲測量數據。Kong等[40]研究發現該傳導系統可 通過胃鏡活檢孔通道2 mm插入，性能測試可獲得 穩定的壓力曲線，但更大范圍臨床病例檢測尚在進 一步研究中。與其他測壓方法相比，該傳感器準確 性高、體積小(可通過內鏡活檢通道)、安全性好、穩 定性好，測壓技術適用于普通內鏡醫師掌握，但容 易受患者呼吸、咳嗽等影響導致傳感器與曲張靜脈 壁無法緊貼，造成壓力曲線波動，為了獲得穩定的 壓力曲線，操作時應必須注意以下幾點：檢查前肌 注杜冷丁，山莨營堿，地西泮，以減少食管蠕動的 影響；操作時要固定好傳感器，使傳感器膜與食道 曲張靜脈壁貼緊，待壓力曲線穩定后記錄壓力值； 在食管蠕動期間，傳感器膜可能脫離曲張靜脈，此 時應該重新調零將傳管器膜與曲張靜脈血管壁貼緊后再進行壓力測定。
3 結論與展望
醫用傳感器在現代醫療設備中幾乎無處不在，除 了以上介紹幾個壓力監測方面外，還可以測量人體內 各部位的壓力如胃腸道、尿道等，在此就不詳細列舉。 隨著信息時代的到來，傳感器技術已成為信息社會的 重要技術基礎，光纖傳感器在醫學中壓力監測方面應 用越來越廣泛，可以預見隨著制作技術的成熟和器件性能的不斷提高，不久的將來光纖傳感器將會進一步 推動醫學的快速發展。
(作者：余芳芳王進廣何兵兵吳艾久許建明孔德潤)
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 日本研發新型傳感器系
