光纤医学应用
光纤传感器将在生物医疗领域开辟应用天地
光纤固有的物理特性和在远程传感方面的多功能特性，使其在生物医学领域具有诱人的发展前景。
Alexis Mendez，MCH Engineering公司总裁
随
着全球人口数量的增长和人均寿命的延长，医疗机构越来越希望采用先进的生物医学仪器对病人进行
有效的诊断、监护和治疗。在此背景下，光纤生物医学传感器正扮演着越来越重要的角色。与此同时，微创手术（MIS ）的不断进步也要求采用越来越小的可控传感导管。
目前，光纤内窥镜成像的应用已经非常成熟。然而光纤的内在物理特性，也使其在生物医学传感领域具有诱人的发展前景。通常直径小于250μm 的未成缆光纤可以直接插入注射针头和导管，不但非常适合微创操作，而且应用在光纤传感器（FOS ）中可以实施远程多点和多参数传感。光纤的优点包括不受电磁干扰（EMI ）、不与传统的
图1：两种基本类型的光纤传感器。其中（b ）具有一个换能器。
电子器件发生干扰、化学特性稳定、无毒等。最重要的是，和FBG 。另外，基于光吸收和荧光的光谱传感器也较为光纤具有抗电磁和射频（RF ）信号的特性，因此其可以常见。生物医学光纤传感器可分为四大主要类别：物理、在采用MRI 、CT 、PET 或SPECT 的显像诊断系统和射频或微波热消融治疗中，用于实时监控。
影像、化学和生物学。
物理传感器用于测量体温、血压、肌肉张力等生理参数。影像传感器包括用于内部观察和成像的内窥镜，以及光学相干断层扫描（OCT ）和光声影像传感器等，其能够实现非侵入式扫描与成像。化学传感器则利用荧光、光谱和指示器等技术，确定特定化合物和代谢参数（如pH 值、血液氧气或葡萄糖水平）的存在，通过监测人体的化学反应和活动实现诊断目的。生物传感器往往较为复杂，其依靠生物反应，如酶衬底、抗原抗体或配体受体等识别和量化特定的生化分子。
在传感器的开发方面，基本的影像传感器走在最前面，其次是物理光纤传感器，生物化学光纤传感器的研究相对较为落后。
光纤生物医学传感器
光纤传感器由光源、光纤、外部换能器和光电探测器
组成。其传感原理为：被探测物理量通过扰动对光信号进行直接调制，通过检测光纤内部光信号强度、波长或偏振的变化实现探测目的。
光纤传感器分为内在和外在两大类（见图1）。对于内在传感器而言，被探测信号直接作用在光纤上，并且影响光信号的传播从而实现探测目的。对于外在传感器而言，外界扰动作用在换能器上，光信号直接穿过探测区域。
目前已经应用于工业和生物医学领域的光纤传感机制包括：光纤布拉格光栅（FBG ）、F-P 腔或外部光纤F-P 干涉仪（EFPI ）传感器、消逝波、Sagnac 干涉仪、Mach-Zehnder 干涉仪等[1–5]。但到目前为止，最常见的是EFPI
需求与应用
目前，生物医学传感器面临的主要挑战是与生物有
如实验室血液测试。按传感器应用于病人和生物系统的方式，生物医学传感器可分为非侵入型、接触型（皮肤
的光纤生物传感器厂商包括加拿大的Opsens 和Neoptix 这两家公司，以及瑞典的Samba Sensors公司。到目前
表面）、微创型或侵入型（可植人型）。为止，市场上最常见的医学光纤传感生物医学传感器可用于人体临床学、器是温度和压力监控器，此外还有少兽医学或其他生命科学领域，并根据使用目的不同分为诊断型和治疗型等
图2：用于植入或留在体内的传感器必须足够小，
该图为微小光纤压力传感器在指尖上的示意图。
量其他类型的传感器和仪器（见表2）。随着成本的下降和新型传感技术的发展，生物医学光纤传感器的数量和种类都将日益增加。
最新的形状检测光纤传感器利用沿多核单模光纤排列的FBG 阵列实现传感。当外界施加压力时，光纤曲率弯曲将导致FBG 的峰值波长发生移动。疗器械和机器人手臂的精确位置与形状。目前，美国Hansen Medical公司、Intuitive Surgical公司、Luna Innovations公司、加拿大Measurand 公司和荷兰Technobis 公司正在开展这方面的研究。
另一个光纤传感器新产品是瑞士日内瓦EndoSense 公司的应力传感导管，目前该产品正处于预认证测试阶段。光纤光栅传感器安装在主动脉导管顶端，同时在心房颤动治疗过程中用作激光消融探头。光纤光栅检测心壁所施加的压力（见图3），这对于控制激光消融脉冲、从而在心脏壁减少异常的电磁行为至关重要。 发展前景
生物医学光纤传感器、特别是一次性探针拥有诱人的发展前景。市场对更对的病人监护设备的需求，以及微创手术的发展，都将为生物医学光纤传感器打开广泛的应用天地。这些应用将需要各种各样的微创医疗设备、以及可进入导管和内窥镜的一次性使用的小型传感器，光纤传感器将是这些应用的理想之选。毫无疑问，光纤传感器作为与EMI 兼容的传感
（见表1）。
机体的对接问题。传感器必须安全可靠，具有高稳定性和生物兼容性，适合进行灭菌和消毒，与生物有机体不容易产生排斥反应，并且不需要校准（或校准周期较长）。另外，传感器封装也是一个非常重要的方面，特别是对于需要植入或留在生物体内的传感器，其体积必须足够小，结构也必须尽可能的简单（见图2）。
生物医学传感器的应用领域分为体内和体外两类。体内是指应用于一个完整的活体，如人类患者机体；体
最新产品发展
光纤生物传感器的早期开拓者美国加州圣地亚哥Camino 实验室，于1984年在医疗市场推出基于光纤内信目前该系统已经成为世界上最常用的ICP 监测系统之一。
其他主要的早期光纤生物传感器厂商包括：美国Luxtron 公司（目前是LumaSense 的一部分），其主要提供荧光温度传感器；加拿大FISO 公司，其是医疗光纤压力和温度传感器
号强度调制的颅内压（ICP ）传感器，采用光纤阵列可以确定MIS 过程中医
外是指在生物有机体外部进行测试，领域的领先供应商。另外，一些新兴
表1：生物医学传感器按照其在生物医学领域的探测参数分类
物理化学生物影像表2：商用光纤生物医学传感器类型
参数公司
光纤医学应用
光纤传感器将在生物医疗领域开辟应用天地
光纤固有的物理特性和在远程传感方面的多功能特性，使其在生物医学领域具有诱人的发展前景。
Alexis Mendez，MCH Engineering公司总裁
随
着全球人口数量的增长和人均寿命的延长，医疗机构越来越希望采用先进的生物医学仪器对病人进行
有效的诊断、监护和治疗。在此背景下，光纤生物医学传感器正扮演着越来越重要的角色。与此同时，微创手术（MIS ）的不断进步也要求采用越来越小的可控传感导管。
目前，光纤内窥镜成像的应用已经非常成熟。然而光纤的内在物理特性，也使其在生物医学传感领域具有诱人的发展前景。通常直径小于250μm 的未成缆光纤可以直接插入注射针头和导管，不但非常适合微创操作，而且应用在光纤传感器（FOS ）中可以实施远程多点和多参数传感。光纤的优点包括不受电磁干扰（EMI ）、不与传统的
图1：两种基本类型的光纤传感器。其中（b ）具有一个换能器。
电子器件发生干扰、化学特性稳定、无毒等。最重要的是，和FBG 。另外，基于光吸收和荧光的光谱传感器也较为光纤具有抗电磁和射频（RF ）信号的特性，因此其可以常见。生物医学光纤传感器可分为四大主要类别：物理、在采用MRI 、CT 、PET 或SPECT 的显像诊断系统和射频或微波热消融治疗中，用于实时监控。
影像、化学和生物学。
物理传感器用于测量体温、血压、肌肉张力等生理参数。影像传感器包括用于内部观察和成像的内窥镜，以及光学相干断层扫描（OCT ）和光声影像传感器等，其能够实现非侵入式扫描与成像。化学传感器则利用荧光、光谱和指示器等技术，确定特定化合物和代谢参数（如pH 值、血液氧气或葡萄糖水平）的存在，通过监测人体的化学反应和活动实现诊断目的。生物传感器往往较为复杂，其依靠生物反应，如酶衬底、抗原抗体或配体受体等识别和量化特定的生化分子。
在传感器的开发方面，基本的影像传感器走在最前面，其次是物理光纤传感器，生物化学光纤传感器的研究相对较为落后。
光纤生物医学传感器
光纤传感器由光源、光纤、外部换能器和光电探测器
组成。其传感原理为：被探测物理量通过扰动对光信号进行直接调制，通过检测光纤内部光信号强度、波长或偏振的变化实现探测目的。
光纤传感器分为内在和外在两大类（见图1）。对于内在传感器而言，被探测信号直接作用在光纤上，并且影响光信号的传播从而实现探测目的。对于外在传感器而言，外界扰动作用在换能器上，光信号直接穿过探测区域。
目前已经应用于工业和生物医学领域的光纤传感机制包括：光纤布拉格光栅（FBG ）、F-P 腔或外部光纤F-P 干涉仪（EFPI ）传感器、消逝波、Sagnac 干涉仪、Mach-Zehnder 干涉仪等[1–5]。但到目前为止，最常见的是EFPI
需求与应用
目前，生物医学传感器面临的主要挑战是与生物有
如实验室血液测试。按传感器应用于病人和生物系统的方式，生物医学传感器可分为非侵入型、接触型（皮肤
的光纤生物传感器厂商包括加拿大的Opsens 和Neoptix 这两家公司，以及瑞典的Samba Sensors公司。到目前
表面）、微创型或侵入型（可植人型）。为止，市场上最常见的医学光纤传感生物医学传感器可用于人体临床学、器是温度和压力监控器，此外还有少兽医学或其他生命科学领域，并根据使用目的不同分为诊断型和治疗型等
图2：用于植入或留在体内的传感器必须足够小，
该图为微小光纤压力传感器在指尖上的示意图。
量其他类型的传感器和仪器（见表2）。随着成本的下降和新型传感技术的发展，生物医学光纤传感器的数量和种类都将日益增加。
最新的形状检测光纤传感器利用沿多核单模光纤排列的FBG 阵列实现传感。当外界施加压力时，光纤曲率弯曲将导致FBG 的峰值波长发生移动。疗器械和机器人手臂的精确位置与形状。目前，美国Hansen Medical公司、Intuitive Surgical公司、Luna Innovations公司、加拿大Measurand 公司和荷兰Technobis 公司正在开展这方面的研究。
另一个光纤传感器新产品是瑞士日内瓦EndoSense 公司的应力传感导管，目前该产品正处于预认证测试阶段。光纤光栅传感器安装在主动脉导管顶端，同时在心房颤动治疗过程中用作激光消融探头。光纤光栅检测心壁所施加的压力（见图3），这对于控制激光消融脉冲、从而在心脏壁减少异常的电磁行为至关重要。 发展前景
生物医学光纤传感器、特别是一次性探针拥有诱人的发展前景。市场对更对的病人监护设备的需求，以及微创手术的发展，都将为生物医学光纤传感器打开广泛的应用天地。这些应用将需要各种各样的微创医疗设备、以及可进入导管和内窥镜的一次性使用的小型传感器，光纤传感器将是这些应用的理想之选。毫无疑问，光纤传感器作为与EMI 兼容的传感
（见表1）。
机体的对接问题。传感器必须安全可靠，具有高稳定性和生物兼容性，适合进行灭菌和消毒，与生物有机体不容易产生排斥反应，并且不需要校准（或校准周期较长）。另外，传感器封装也是一个非常重要的方面，特别是对于需要植入或留在生物体内的传感器，其体积必须足够小，结构也必须尽可能的简单（见图2）。
生物医学传感器的应用领域分为体内和体外两类。体内是指应用于一个完整的活体，如人类患者机体；体
最新产品发展
光纤生物传感器的早期开拓者美国加州圣地亚哥Camino 实验室，于1984年在医疗市场推出基于光纤内信目前该系统已经成为世界上最常用的ICP 监测系统之一。
其他主要的早期光纤生物传感器厂商包括：美国Luxtron 公司（目前是LumaSense 的一部分），其主要提供荧光温度传感器；加拿大FISO 公司，其是医疗光纤压力和温度传感器
号强度调制的颅内压（ICP ）传感器，采用光纤阵列可以确定MIS 过程中医
外是指在生物有机体外部进行测试，领域的领先供应商。另外，一些新兴
表1：生物医学传感器按照其在生物医学领域的探测参数分类
物理化学生物影像表2：商用光纤生物医学传感器类型
参数公司