光纖傳感器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展_圖文

1、第17卷第4期2006年12月中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)【文章編號(hào)】 1004-1540(200604-0257-04【收稿日期】 2006-09-03【作者簡(jiǎn)介】 P.Rolfe,男,英國(guó)牛津生物醫(yī)藥公司,教授.主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)儀器.光纖傳感器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展P.Rolfe 1,2,3(1.英國(guó)牛津生物醫(yī)藥公司;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),中國(guó)哈爾濱150001;3.早稻田大學(xué),日本東京1-24-1【關(guān)鍵詞】 光纖傳感;生物醫(yī)學(xué);檢測(cè)【中圖分類號(hào)】 T B98 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 AAdvances in fibre optic sensing in medicine and biologyP.Rol

2、fe 1,2,3(1.Oxford BioH orizongs Ltd.,UK; 2.Harbin Institute of T echnology,Harbin 350001,C hina;3.Waseda University,Tokyo 1-24-1,JapanAbstract:M edical and biolog ical applications of optical fibres span a w ide rang e fr om lig htpipes and pr essure or displacement sensor s t hr ough to complex che

3、mical sensor s.Coherent f ibre bundles a re needed fo r endoscopic imag ing whilst single fibr es may be used in bot h near infra -r ed to mog raphy and optical coher ence tomog ra phy.Deliv ery o f lig ht to t issues,fo r ex ample to activ ate targ eted chemo -ther apeutic ag ents,is also achieved

4、co nv eniently w ith fibres.Chemical sensing can simply be achiev ed by transpo rting light to and fro m a measurement site with a plain fibre lig ht g uide fo r spectro photo metric o r fluor imetry analysis.A fur ther fam ily of fibre o ptic chemical sensors has either surface atached molecular r

5、eco gnit ion sites o r a r eact ion chamber for achiev ing specific molecula r detectio n.T hese chemical senso rs may be based on the principles of surface plasmo n resonance,int erfero metry ,spectr iphotometr y or fluor imetr y.Bio lo gica l r eco gnit ion w ith enzy mes or antigen -ant ibo dy bi

6、nding ar e used to achieve high specificit y.T he r ang e o f pot ential targ et mo lecules has incr eased rapidly ov er r ecent year s f rom sim ple g ases and ions thro ug h to larg e mo lecules such as DN A.Key words:f ibre optic sensing ;medicine and biolog y;detectio n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

7、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(gè)世紀(jì)1,2.早期光纖主要用于遠(yuǎn)距離觀測(cè),但最近其應(yīng)用范圍不斷拓寬,從簡(jiǎn)單的光管道到復(fù)雜的物理和化學(xué)傳感器,從用于呼吸道、食道、尿道和無(wú)損手術(shù)操作的內(nèi)窺鏡成像,到臨床和醫(yī)學(xué)研究中進(jìn)行血壓或分子的物理和化學(xué)參數(shù)測(cè)量傳感器.近年來(lái),測(cè)定的靶標(biāo)分子已從簡(jiǎn)單的氣體和離子發(fā)展到作為細(xì)胞功能或惡性疾病生物標(biāo)記的大分子.光纖及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展極大的拓展了這些生物傳感器的應(yīng)用能力.1 成 像礎(chǔ)的光纖成像技術(shù)3.目前,彈性內(nèi)窺鏡是進(jìn)行呼吸道、消化道和尿道惡性病變和炎癥診斷的重要手段.也是進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)操作的重要部分4.顯微成像是生物成

8、像中一個(gè)非常重要的部分.隨著ST M ,AFM 等新型掃描探針技術(shù)的出現(xiàn),顯微成像正得到快速的發(fā)展.光纖已在多種新型顯微成像模式中得到了應(yīng)用,如近場(chǎng)掃描光學(xué)纖維成像(NSOM,通過(guò)采用金屬覆膜錐形光纖產(chǎn)生的狹縫突破了光學(xué)纖維成像分辨率的常規(guī)理 論極限(d K /2sin H ,該狹縫只有50nm.激光輻射輸入到光纖,對(duì)樣品進(jìn)行掃描觀察.采用合適的檢測(cè)器,如光電倍增管或雪崩光電二極管可以獲得透射或反射干涉光譜.光學(xué)相干斷層成像(OCT作為在體顯微成像也十分重要.2 物理傳感對(duì)壓力、力、位移和液體流量等變量的測(cè)定在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中十分重要.在臨床診斷和護(hù)理中,需要對(duì)多個(gè)重要的生理系統(tǒng)中的這些物理變量

9、進(jìn)行測(cè)定,包括心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化道腸道系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng).壓力的測(cè)量也許是最常見(jiàn)的測(cè)量參數(shù),特別是在重癥監(jiān)護(hù)室對(duì)病人動(dòng)脈血壓的連續(xù)監(jiān)測(cè).光纖傳感器可以用于生物醫(yī)學(xué)中壓力、力的測(cè)量.圖1為一個(gè)以Fabry -Per pot 腔干涉儀為基礎(chǔ)的傳感器.入射光束在進(jìn)入光纖腔體之前通過(guò)一介質(zhì)部分反射回來(lái),光纖腔體的前端有一柔性隔膜,其偏轉(zhuǎn)性與外部壓力P 有一定的關(guān)系.隔膜內(nèi)表面將光束反射到外部?jī)x器上,通過(guò)測(cè)量光程長(zhǎng)29x 的不同進(jìn)行壓力測(cè)量.測(cè)量時(shí)最好是與低相干測(cè)量同時(shí)進(jìn)行.圖1 基于微Fabry -Perot 腔的光纖壓力傳感器用EM 輻射和激光多普勒流量計(jì)可以測(cè)量血液流量,該流量計(jì)

10、很大程度上依賴于玻璃或聚合物光纖的應(yīng)用6.以H eNe 激光或固體激光二極管為光源,采用合適的光纖裝置將光傳輸?shù)浇M織內(nèi).光纖的直徑從50L m 到2000L m ,可用于侵入式7和無(wú)損檢測(cè)8.3 化學(xué)傳感特定生物分子的檢測(cè)在醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床護(hù)理中具有重要意義.對(duì)氣體和離子等的識(shí)別比較簡(jiǎn)單,然而對(duì)蛋白質(zhì)等生物大分子的識(shí)別則比258中 國(guó) 計(jì) 量 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)第17卷較復(fù)雜并具有挑戰(zhàn)性.SO 2=H bO 2/(H H b+H bO 2100%(1Enson 等9所述的無(wú)損測(cè)氧儀由一支包含有玻璃光纖束的胸腔導(dǎo)管組成.該測(cè)氧儀最初用于成人動(dòng)脈、靜脈或胸腔內(nèi)血氧飽和度的測(cè)定.后來(lái)Ox im etr

11、ics 公司將其開(kāi)發(fā)為由聚亞胺酯導(dǎo)管包被的聚合物光纖,并用于新生胎兒血氧飽和度的測(cè)定10.也可采用熒光淬滅傳感器來(lái)測(cè)量血氧含量11.將熒光染料,如二萘嵌苯二丁酯吸附在憎水透氣膜覆蓋的有機(jī)珠上,以藍(lán)光(468nm激發(fā)染料,發(fā)射光波長(zhǎng)514nm (綠光,氧分壓(PO 2根據(jù)Stern -Vo lmer 關(guān)系式計(jì)算.PO 2=const(I bl /I gr -1m(2Peterson 等開(kāi)發(fā)了一種光吸收pH 傳感器12.將苯酚紅等敏感型染料結(jié)合在一種羥基(OH 離子透過(guò)膜上,通過(guò)光纖測(cè)量因pH 值變化引起的染料吸光度的變化.該傳感器可用于新生胎兒大腦監(jiān)測(cè)的光纖pH 計(jì)上,并有可能將其整合成一種螺桿

12、狀針形新生胎兒大腦ECG 電極13.由于光纖可以做很小,因此可以在一支導(dǎo)管內(nèi)放入多個(gè)傳感器14.早期開(kāi)發(fā)的導(dǎo)管系統(tǒng)包含三種熒光傳感器,用于PO 2,PCO 2,和pH 的測(cè)定.這些重要參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)重癥監(jiān)護(hù)下的成人和兒童都十分重要15. 用光電倍增管或雪崩光電二極管作為檢測(cè)器.后來(lái)有人采用激光二極管作為光源,選擇4至8個(gè)特征波長(zhǎng),根據(jù)HH b 和H bO 2的特征吸收可以測(cè)定組織的氧飽和度.定量分析的依據(jù)是Lamber-t Beer 定律,但其前提是輻射在組織中沒(méi)有散射.然而在實(shí)際應(yīng)用中,生物組織對(duì)輻射的多元散射使得入射光與接收光之間的實(shí)際距離大大高于其幾何距離.考慮到光程因子,可利用時(shí)間流

13、逝技術(shù)或光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行測(cè)量.雖然玻璃光纖相對(duì)易碎,但由于聚合物光纖在近紅外光譜區(qū)透明度不夠,因此在體近紅外光譜仍主要采用玻璃光纖.圖2 利用漸消波相互作用原理進(jìn)行生物組織化學(xué)傳感在組織中使用光纖技術(shù)的一個(gè)主要問(wèn)題是水的強(qiáng)吸收,這限制了該方法對(duì)更多化學(xué)成分的分析.利用光譜分析技術(shù)無(wú)損檢測(cè)血糖是目前最感興趣的研究領(lǐng)域17.常常采用光纖傳輸輻射.為了保證有足夠的透射,必須采用包層光纖.有人研究通過(guò)采集指端的透射光譜或其他部位的漫反射譜進(jìn)行血糖的測(cè)量,如果這些研究最終獲得成功,光纖的作用可能就很小了,因?yàn)楣庠春蜋z測(cè)器可以直接附著在皮膚表面.消散波是光纖生物傳感器的基礎(chǔ)19.將光纖上部分包層去掉可作為

14、檢測(cè)窗口.將識(shí)別分子固定在條帶部分,然后與靶標(biāo)分子結(jié)合,從而影響光波沿著光纖的傳播,據(jù)此可以進(jìn)行分子檢測(cè)(圖2.細(xì)胞和組織生物學(xué)研究使通過(guò)生物工程組織259第4期P Rolfe:光纖傳感器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行損傷或疾病組織的修復(fù)成為現(xiàn)實(shí)20.光學(xué)氣體、pH值和糖傳感器可用于細(xì)胞和組織生物反應(yīng)器中反應(yīng)過(guò)程的檢測(cè),以優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程21.4結(jié)語(yǔ)目前可以通過(guò)特殊的光纖技術(shù)獲得重要的新型生物醫(yī)學(xué)傳感器.所用設(shè)備包括布拉格光柵、微錐光纖、含有分子受體表面的光纖、干涉光纖束、鹵化銀光纖、納米光纖、光源/探測(cè)器陣列復(fù)合光纖以及大量設(shè)備控制傳感器.偏振測(cè)量、熒光測(cè)量、光譜測(cè)量、拉曼和干涉測(cè)量技術(shù),與FEM、

15、多變量建模、圖像重構(gòu)等數(shù)學(xué)技術(shù)相結(jié)合,可用于測(cè)量數(shù)種重要的臨床和生物學(xué)參數(shù).【參考文獻(xiàn)】1LAM M H.Biegsam e optische ger teJ.E eitschrift fur In-strumentenk unde,1930,50:579-581.2PET ERSON J I,VUREK G G.Fib er-optic sensors for b io-medical applicationsJ.S cience,1984,13:224(4645:123-127.3M ODLIN I M,POLLARD R,DYER J P.M inimally inva-sive sur

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