背景：人體內(nèi)壓力尤其是食道曲張靜脈壓力監(jiān)測是近年來研究的熱點(diǎn)，光纖傳感器在人體內(nèi)壓力監(jiān)測方面取 得了較大的進(jìn)展。

　　目的：綜述光纖傳感器在人體內(nèi)壓力監(jiān)測中的應(yīng)用。

　　方法：以“光纖傳感器，壓力，測量；fiber optical sensor, pressure, measurement”為檢索詞，應(yīng)用計算機(jī)

　　結(jié)果與結(jié)論：與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、不受電磁干擾、防 爆防燃、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已被用于食道靜脈曲張壓力、顱內(nèi)壓、咽部壓力、小兒氣管內(nèi)壓力、心血管及血液 壓力、椎間盤壓力、分娩時子宮內(nèi)壓力、結(jié)腸內(nèi)壓力、足底壓力和剪切力等人體壓力的測量�？梢姽饫w傳感 器在醫(yī)學(xué)中壓力監(jiān)測方面的應(yīng)用越來越廣泛，相信隨著制作技術(shù)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(jìn)一步推動醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展。

　　20世紀(jì)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(gòu)成一種直接交換信 息的元件。光纖傳感器具有傳統(tǒng)傳感器所不可比的優(yōu) 點(diǎn)：靈敏度高、動態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、不受電磁 干擾、防爆防燃、防腐蝕、易于遠(yuǎn)距離遙測、保密性 好、質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高等[1]。

　　光纖主要應(yīng)用于通訊領(lǐng)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(jīng)在生物醫(yī)學(xué)傳感中應(yīng)用了半 個世紀(jì)。

　　早期光纖主要使用于遠(yuǎn)距離觀測中，但最近應(yīng)用 范圍不斷拓寬。隨著光纖傳感技術(shù)和通信技術(shù)的迅速 發(fā)展與應(yīng)用，光纖傳感器得到了越來越廣泛的應(yīng)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(xiàn)將 光纖傳感器在人體內(nèi)壓力的監(jiān)測應(yīng)用做一綜述。

　　1.1資料來源

　　應(yīng)用計算機(jī)檢索CNK丨和PubMed數(shù) 據(jù)庫中1983年1月至2013年3月關(guān)于光纖傳感器測壓 的文章，在標(biāo)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(jìn)行檢索。最終選擇關(guān)于光纖傳感器在人體內(nèi)壓力監(jiān)測中 的40篇文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。

　　1.2入選標(biāo)準(zhǔn)

　　納入標(biāo)準(zhǔn)：①具有創(chuàng)新性的原創(chuàng)文章。②論點(diǎn)鮮明，論據(jù)可靠。③對同一領(lǐng)域內(nèi)，選擇發(fā)表在近期或 者權(quán)威性雜志上的文獻(xiàn)。
排除標(biāo)準(zhǔn)：論點(diǎn)陳舊，研究重復(fù)。

　　1.3質(zhì)量評估計算機(jī)初檢得到136篇文獻(xiàn)，通過閱 讀題名與摘要，排除與究目的、內(nèi)容不相關(guān)及研究重 復(fù)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(biāo)準(zhǔn)的40篇文章進(jìn)行整理分析。

　　2 　結(jié)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(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使 待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光 學(xué)性質(zhì)(如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等) 發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

　　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(huán)境變化 的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。其工 作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)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(qiáng)，會發(fā)生變化的現(xiàn)象。因此，如果 能測出通過光纖的光相位、光強(qiáng)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(diǎn)光源光束擴(kuò)散為平行 波，經(jīng)分光器分為兩路，一為基準(zhǔn)光路，另一為測量 光路。外界參數(shù)(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(chǎn)生不同數(shù)量的干 涉條紋，對它的模向移動進(jìn)行計數(shù)，就可測量溫度或 壓等。②結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理，結(jié)構(gòu)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(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒 質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。

　　2.2　對顱內(nèi)壓的監(jiān)測暴露于爆炸波時可引起腦部損 傷，目前爆炸波所導(dǎo)致的準(zhǔn)確腦部損傷機(jī)制仍不明 確。Chavko等[3]將光纖壓力傳感器用于監(jiān)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(qū)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(dāng)作用于傳 感器的壓力增加時，硅股膜發(fā)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(dǎo)傳感器和信號調(diào)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(yīng)可以用來研究能量轉(zhuǎn)換，該能量轉(zhuǎn)換可以作為人體不同部分 暴露于爆炸區(qū)的結(jié)果，這樣可以對損傷機(jī)制有更好的 了解，并制定更好的保護(hù)措施來應(yīng)對爆炸波所致?lián)p 傷。增高的顱內(nèi)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(nèi)壓，有必要在動物模型 中對顱內(nèi)壓進(jìn)行監(jiān)測，更深一步了解發(fā)生機(jī)制、提出 新的治療方法。目前測量顱內(nèi)壓的方法為導(dǎo)管插入 法，這種心室內(nèi)導(dǎo)管插入法已成為人顱內(nèi)壓測量的金 標(biāo)準(zhǔn)[4]。但這種測壓方法要去除部分頭顱骨，導(dǎo)管插 入腦組織中是一種有創(chuàng)性檢查方法，心室導(dǎo)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(nèi)壓監(jiān)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(shí)驗(yàn)表明光纖傳感器可以準(zhǔn)確、敏感地檢 測顱內(nèi)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(xù)監(jiān)測顱內(nèi)壓，實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明光纖設(shè)備所測得的壓力結(jié)果可靠、且并發(fā)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(nèi)壓監(jiān)測設(shè)備，該系統(tǒng)提供了可靠的顱內(nèi)壓測量，且可以體內(nèi)重新校準(zhǔn)，技術(shù)上的并發(fā)癥發(fā)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(jìn)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(shù) 值是以食管上括約肌的壓力區(qū)域的平均寬度為依據(jù) 而設(shè)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(yùn)動誘導(dǎo) 的食管胃橫向壓力和吸入壓力。在咽部測壓中食管胃 段產(chǎn)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(nèi)鏡監(jiān)測時比較光纖咽部測壓計和傳統(tǒng)壓力傳感器檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)光纖咽部測壓計具有光學(xué)傳感器及 傳統(tǒng)固態(tài)傳感器的特征，所測得的壓力結(jié)果與傳統(tǒng)測 壓結(jié)果呈線性相關(guān)。

　　2.4　小兒氣管內(nèi)壓力測量呼吸監(jiān)測是評價機(jī)體生理 狀態(tài)的最重要的一個部分，它可以提供心血管系統(tǒng)、 神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)重要信息，小兒科重癥特別護(hù)理 時呼吸監(jiān)測是必要的。Sondergaard等[10]使用光纖傳 感器用于小兒呼吸時監(jiān)測氣管內(nèi)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(dǎo)纖維組成，它是基于光纖干涉原理設(shè)計而成 的，設(shè)計變量可以涵蓋不同的壓力范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)量嬰兒氣道壓力。結(jié)果發(fā) 現(xiàn)，光纖傳感器直接測量通風(fēng)良好嬰兒的方法是可行 的，結(jié)果是可靠的，且該結(jié)果可以推導(dǎo)肺功能的信息， 指導(dǎo)呼吸機(jī)管理。

　　2.5對心血管及血液壓力的監(jiān)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(dú)特的膜片偏轉(zhuǎn)，這種檢測方案的幾個關(guān)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(tǒng)血液壓力監(jiān)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(tǒng)，即Samba用于記錄離體老鼠的心血 管系統(tǒng)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(fā) 生形變。該形變可以被光纖系統(tǒng)檢測出來。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) Samba傳感器可以準(zhǔn)確測量鼠左心室壓力，且具有 穩(wěn)定性高，不影響實(shí)驗(yàn)鼠的中心血液動力學(xué)變化等優(yōu) 點(diǎn)。Myllyla等提出利用光纖傳感器在磁共振掃描 時無創(chuàng)性監(jiān)測血壓。以動脈血壓里脈搏波傳播速度為 基礎(chǔ)，該裝置利用獲得的結(jié)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(fēng)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(jìn)入心包腔的壓力頻率。實(shí)驗(yàn)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(jié)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(fù)載條件的一種重要方法，了解椎間盤壓力機(jī)制對于椎間盤 損傷和退化的病因?qū)W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(fā)現(xiàn)光纖壓力傳感器裝置是一種評價椎 間盤壓力的一種準(zhǔn)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(jié)構(gòu)作為壓力傳感器，當(dāng)傳感器元件被插到嚙動物的尾巴里，在 外界壓力下，隔膜產(chǎn)生形變，隔膜的偏向?yàn)閴毫Ω淖?的一個函數(shù)，可以被光纖診斷系統(tǒng)檢測出來。實(shí)驗(yàn)發(fā) 現(xiàn)，光纖傳感器測出的椎間盤核壓力與外在負(fù)載的壓 力呈線性相關(guān)，且這種線性關(guān)系與之前測得人類和豬 椎間盤破裂時壓力的結(jié)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(shù)據(jù)與 之前使用其他類型傳感器測得的壓力一致，且與現(xiàn)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(jī)械學(xué)有很少的破壞性。

　　2.7分娩時子宮內(nèi)壓力測量孕婦分娩時子宮內(nèi)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(nèi)壓力變化。Svenningsen等[20]將光纖傳 感器用于測量子宮內(nèi)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(fā)光，其強(qiáng)度由光纖的物理性能決 定。大量孕婦分娩實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該光纖傳感器測得的 壓力與實(shí)際內(nèi)壓力高度一致性，且不會對胎兒有損害。

　　2.8結(jié)腸測壓的應(yīng)用便秘影響了 15%-27%的西方人群。結(jié)腸傳播的壓力波或者傳播的順序是腸腔 運(yùn)動和排便的重要決定因素。結(jié)腸傳播順序的改變是結(jié)腸功能紊亂的重要標(biāo)記[25-27]。Arkwright等使用光纖導(dǎo)管測量結(jié)腸壓力，發(fā)現(xiàn)該傳感器可以記錄 類結(jié)腸的24h蠕動收縮，并能分析結(jié)腸復(fù)雜的運(yùn)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(zhì)量的一種疾病，糖尿病引起的下肢并發(fā) 癥包括足底潰瘍，該并發(fā)癥可以導(dǎo)致感染或后來的截 肢。足底壓力被認(rèn)為與潰瘍的發(fā)展有關(guān)[29-30]，Delbridge 等[31]提出剪切力是潰瘍進(jìn)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(qiáng)度衰 減以宏觀彎曲形式表現(xiàn)出來，以該彎曲為基礎(chǔ)，繪制 正常的和剪切壓力圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該傳感器可以用 來測量足底壓力和剪切力，且重復(fù)性較好。

　　2.10食道曲張靜脈壓力監(jiān)測食管靜脈曲張出血是 肝硬化嚴(yán)重的和威脅生命的并發(fā)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(jù)流體 學(xué)Laplace定律:血管壁張力=(血管內(nèi)壓-血管外壓)x 血管口徑/血管厚度，血管內(nèi)壓力是根本因素，血管 內(nèi)壓高，血管擴(kuò)張而直徑增大，管壁厚度隨之變薄， 于是血管壁張力增大，當(dāng)張力越過管壁彈性極限時血 管破裂而發(fā)生大出血[33]。研究發(fā)現(xiàn)，曲張靜脈壓力較 肝靜脈壓力梯度(HVPG)能更直接預(yù)測出血風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)”， 但有引起出血、感染的風(fēng)險[36]。無創(chuàng)性測壓方法是檢 測技術(shù)發(fā)展的方向，但由于壓力傳感器受食管蠕動等 影響其穩(wěn)定性，因此測壓結(jié)果存在主觀誤差[37]。

　　近年來研究發(fā)現(xiàn)，光纖壓力傳感器具有傳統(tǒng)壓 力傳感器所不可比的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、動態(tài)范圍大、 響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高[1]，并已成功應(yīng)用于許多領(lǐng)域， 如血管內(nèi)血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓、膀胱和尿道壓力 等檢測已替代傳統(tǒng)方法[38-39]�；�于此，作者與江蘇 久虹醫(yī)療器械有限公司合作，開發(fā)“光纖壓力傳感器 的食管曲張靜脈測壓系統(tǒng)”，該光纖壓力傳感器由光 接收器、光電轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換光源和電源管理等5 個模塊組成，設(shè)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(shù)據(jù)處理終端 為一體的測量系統(tǒng)，將壓力敏感探頭過內(nèi)窺鏡的活 檢通道置于探測部位，再將探頭獲取的壓力應(yīng)變光 信號通過光纖傳導(dǎo)至接收裝置，在接收裝置中設(shè)置 光電轉(zhuǎn)換模塊和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換模塊，依次將測量數(shù) 據(jù)調(diào)并轉(zhuǎn)換為模擬電信號再轉(zhuǎn)換為數(shù)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(shù)據(jù)接口與接收裝置鏈接，分析報告并記 錄存儲測量數(shù)據(jù)。Kong等[40]研究發(fā)現(xiàn)該傳導(dǎo)系統(tǒng)可 通過胃鏡活檢孔通道2 mm插入，性能測試可獲得 穩(wěn)定的壓力曲線，但更大范圍臨床病例檢測尚在進(jìn) 一步研究中。與其他測壓方法相比，該傳感器準(zhǔn)確 性高、體積小(可通過內(nèi)鏡活檢通道)、安全性好、穩(wěn) 定性好，測壓技術(shù)適用于普通內(nèi)鏡醫(yī)師掌握，但容 易受患者呼吸、咳嗽等影響導(dǎo)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(wěn)定的 壓力曲線，操作時應(yīng)必須注意以下幾點(diǎn)：檢查前肌 注杜冷丁，山莨?fàn)I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(wěn)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(yīng)該重新調(diào)零將傳管器膜與曲張靜脈血管壁貼緊后再進(jìn)行壓力測定。

　　3 　結(jié)論與展望

　　醫(yī)用傳感器在現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備中幾乎無處不在，除 了以上介紹幾個壓力監(jiān)測方面外，還可以測量人體內(nèi) 各部位的壓力如胃腸道、尿道等，在此就不詳細(xì)列舉。 隨著信息時代的到來，傳感器技術(shù)已成為信息社會的 重要技術(shù)基礎(chǔ)，光纖傳感器在醫(yī)學(xué)中壓力監(jiān)測方面應(yīng) 用越來越廣泛，可以預(yù)見隨著制作技術(shù)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(jìn)一步 推動醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展。

　　
　　(作者：余芳芳王進(jìn)廣何兵兵吳艾久許建明孔德潤)

　　轉(zhuǎn)載請注明來源：賽斯維傳感器網(wǎng)（www.jsxlzzp.com）