光纤压力传感器在医疗领域的发展及应用

【作 者】周文秀，侯文博，张海军,

1 生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室，德州市，251100 2 同济大学医学院介入血管研究所，上海市，200072

0 引言

人体内压力受内力（体液、组织等）和外力（重力、大气压力等）的影响，测量体内压力是生物医学领域的关键，例如心血管及泌尿系统的压力测量，外科手术及侵入式治疗时的压力测量等。过去常用的以导管或导丝为基础的医疗测压工具，在泌尿科及心血管测压中被广泛的使用。但无论是导丝压力传感器还是导管压力传感器，均是基于机电式压力传感器的工作原理，其机构复杂，体积较大，且成本较高[1]。光纤压力传感器因具有稳定性好、灵敏度高、可靠性高、精度高、抗电磁干扰能力强、结构简单等优点，作为机电式压力传感器的替代品，在医学领域已得到广泛的应用。本文将对光纤压力传感器在医疗领域的应用进行综述，并对其发展做出一些展望。

1 光纤压力传感器发展历程

自二十世纪七十年代中期，人们逐渐意识到光纤不仅具有传光性，其本身也可构成直接进行信息交换的元件，伴随着光导纤维和光纤通讯技术的发展，光纤传感器技术也迅速发展起来。光纤传感器是基于光纤本身的性能，把待测的量和光纤的各种参数结合起来，从而将被测信号以光信号的形式传出。二十世纪九十年代，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）传感器出现，促进了人们将光纤压力传感器应用于人体压力监测的研究。随着微细加工技术的进步（例如光纤的熔接机，激光器和混合光电设备的可用性），人们对传感器精度的要求也越来越高，出现了基于法布里-珀罗原理腔体结构的传感器，其中非本征型光纤珐珀干涉传感器（Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometric Sensor，EFPI）是其中的典型代表。EFPI原理是输入光被反射后光程发生变化，通过感知到的光谱偏移量确定被测参数[2]。EFPI不仅克服了强度调制的缺点，还具有更高的灵敏度和精度，代表着光纤传感器又一重大的技术进步[3]。

2 光纤压力传感器在医疗上的应用

光纤传感器应用于生物医学（人体内或体外）已应用了几十年，在很多医疗领域正发挥着越来越重要的作用。LINDSTROM[4]于二十世纪七十年代首次提出医用玻璃纤维压力传感器，随着材料科学的发展，光纤材料种类不断增多，塑料、氧化物玻璃等都有被使用的报道。相关研究表明，二氧化硅玻璃纤维具有良好的生物相容性，且以其为原材料的光纤具有良好的MRI兼容性，能够不受射频和微波干扰，大大提高了测量精度。光纤传感器为医学诊断领域提供了一种崭新的方法，且已广泛应用于人体内压力的测量。目前临床上应用的光纤压力传感器主要用来测量血压、颅内压、心内压、胃肠道压力、气管压力、呼吸压、膀胱和尿道压力等。

2.1 对心血管及血液压力的监测

心脏类疾病是困扰人类的重大疾病之一，据美国心脏协会报道，美国在2011年约有60万人因心脏病而死亡，心脏病的治疗费用每年也高达两千多亿美元。另外，体内血压的测量对手术治疗心脏类疾病具有重要的参考价值。因此将成本低、有效性好的光纤压力传感器应用于心血管及血液压力监测成为了研究热点。REESINK等[5]利用光纤传感器进行侵入式心脏测压的可行性进行研究，与心血管内测压的标准方法Millar导管（SPC-320）、Baxter单流式外部压力传感器及Sentron测压设备等进行山羊主动脉测压比较，结果显示光纤系统具有更高的动态准确度。此外，WU等[6]用光纤压力传感器对猪的主动脉弓和右冠状动脉两点进行血压测量，并利用球囊模拟冠状动脉狭窄，测量狭窄后两点血压，对两者进行比较。实验表明，在利用光纤压力传感器进行血管压力测量时，光纤在弯曲时存在光强损耗，通过宽带信道的信号进行补偿，能够精确地记录冠状动脉狭窄引起的血压峰值及峰值恢复的过程。心血管及血液压力的监测是一个动态的过程，且在手术过程中往往会有电磁系统的干扰，机电式压力传感器测压时，不仅会有电气安全方面的隐患，还会受电磁的干扰。光纤压力传感器作为光学仪器，不受到电磁的干扰，且本身不带电流，消除了手术中因电气故障诱发心室颤动或心脏骤停等意外的可能。另外，相对于机电式压力传感器，光纤压力传感器具有更小的体积，可满足狭小空间部位的测压要求，为医疗诊断或手术操作带来更多的便利。

2.2 颅内压力监测

正常情况下人的颅内压力会保持在一定的压力范围，而当颅内发生某些病变或损伤时会导致颅内压力发生变化，因此进行颅内压监测对诊断颅内病症、指导手术进程起着非常重要的作用。通常，颅内压监测是通过在开颅手术或钻孔手术过程中植入颅内压传感器进行，这不仅会对患者造成二次创伤，也给传感器的植入带来不便，且会影响颅内压监测的准确性。光纤传感器因其体积优势，可直接通过微创穿刺术进入监测部位，很好地满足了颅内压监测的需要，因此成为目前最受关注的颅内压监护方式之一。MURTHA等[7]将光纤压力传感器应用于动物模型，进行硬膜外颅内压测量，并和充液导管及充气导管进行比较。相比之下，光纤压力传感器具有更高的保真度，不易产生气泡，也不易对脑组织造成损伤。BEKAR等[8]分析了光纤压力传感器在颅内压监测中的危险因素，631名患者的临床试验感染率仅为1.8%，远低于同类产品的感染率。国内也有关于用于颅内压监测的光纤压力传感器研究报道，一种膜片式光纤珐珀压力传感器，其灵敏度高达39.2 nm/kPa，压力测量分辨率为133 Pa，线性拟合度为99.9%，能够很好地满足颅内压监测的需要[9]。由以上报道及研究数据可知，光纤压力传感器应用于颅内压监测的优势在于其体积小，具有良好的生物相容性，因而会降低患者的感染率，延长测压时间，在危重脑外科患者中的应用优势尤为明显。

2.3 气道压力监测

对病人进行机械通气时可能导致肺部损伤，高气压道则是导致肺部损伤的主要因素[10]，因此在机械通气时准确、及时地监测气道压力十分重要。气道压力一般利用呼吸机测量，但误差较大，且无法准确区分支气管压力和主气道压力。光纤压力传感器利用光纤的微弯效应损耗机制，在肺部手术插入双腔导管后，经正确定位，双腔管的左右管腔分别位于支气管和主气道内，可分别测定支气管压力和主气道压力。另外，采用光纤压力传感器直接测压可有效避免呼吸回路、人工湿化器、连接器、气管导管等因素的影响[11]。光纤压力传感器监测气道压力的优势还在于压力感受器位于传感器头端，气道内压力直接刺激感受器内膜产生信号，可反应出气道细微压力变化，有助于及时、准确地了解气道的压力情况及开胸手术的气道管理[12]。

2.4 胃肠道压力

对胃肠道进行压力监测，可发现胃肠道早期病症，有利于对患者进行早期治疗。ARKWRIGHT等[13]利用基于FBG阵列（FBGs）的测压导管，对结肠运动压力进行了监测，揭示了结肠压力的复杂情况，测试分辨率高出一般标准。该阵列有多个传感元件，放置于升结肠、横结肠、降结肠和乙状结肠中，将压力转换成应变。该团队也曾利用FBGs对胃肠道蠕动波进行监测，得到了完整的胃肠道压力图，且证明传感器适用于消化道其他区域的压力监测[14]。有研究者利用该种类型的FBGs对10名正常人的结肠肌肉活动进行压力监测，提供了首个描述结肠运动模式的高分辨率测压记录，并显示出大量的逆行传播运动模式[15]。另外，光纤压力传感器对食道、咽部等部位的压力测量也有报道，均能达到良好的测压效果。

2.5 膀胱和尿道压力

在尿动力学研究过程中进行的与下尿路（LUT）相关的压力测量需要在尿道、膀胱和腹部进行，这种测量分析对诊断膀胱相关疾病非常重要。 尿动力学分析作为定位病理性梗阻的方法起着关键作用。POEGGEL等[16]测试了一种侵入性尿动力学压力测量的光纤传感系统，传感器探头基于法布里—珀罗原理设计，灵敏度高达-1.0～1.6 nm/kPa，在尿动力学分析的整个过程中，传感器探头被嵌入4F的医用导管中用于膀胱和腹部的压力测量，压力轨迹与常规尿动力学仪器进行比较，显示出更高的精确度和对局部压力响应度。

2.6 其他领域的应用

除以上应用之外，光纤压力传感器在测量椎间盘压力、分娩时子宫压力、足底压力和剪切力、耳蜗内压、眼压，与射频消融相结合的测压用于癌症治疗[17-22]等也曾有应用报道。

3 结论与展望

人体内压力监测作为光纤压力传感器应用的热点，其商业化速度不断加快。目前，美国有十多家单位从事医用光纤传感器的研制；日本、英国等国家在该领域的研究也趋于成熟；中国作为后起之秀，发展速度万众瞩目。通过以上研究及综述，一种优质的用于人体内压力监测的传感器应有如下特点：①体积小；②生物相容性好；③性能稳定；④具有足够高的精确度和灵敏度；⑤能够捕捉压力的动态变化；⑥无电气安全隐患；⑦电磁兼容性高等。光纤压力传感器以光为信号，玻璃为传导介质，传感器本身不带有电流，因而其既不会受电磁的干扰，也避免了电气安全隐患；玻璃的性质稳定，吸湿率底，生物相容性高，不会引起组织反应；传感器探头体积小，可满足人体内很多部位的压力测量；此外，以光作为系统信号，提高了测量结果的精确度和灵敏度，且能实时感知光信号的变化，对压力进行实时监测。光纤压力传感器作为一种优质的测压工具，为医疗领域提供了一种更加安全、有效的测压方式，且随着制作工艺的发展，其性能逐渐提高，将会不断地为人体内压力测量带来新的技术变革，推动医疗行业的飞速发展。