光纤传感器在生物医学中的应用进展

1、第17卷第4期2006年12月中国计量学院学报【文章编号】 1004-1540(200604-0257-04【收稿日期】 2006-09-03【作者简介】 P.Rolfe,男,英国牛津生物医药公司,教授.主要研究方向为生物医学仪器.光纤传感器在生物医学中的应用进展P.Rolfe 1,2,3(1.英国牛津生物医药公司;2.哈尔滨工业大学,中国哈尔滨150001;3.早稻田大学,日本东京1-24-1【关键词】 光纤传感;生物医学;检测【中图分类号】 T B98 【文献标识码】 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光纤主要应用于通讯领域,以提供低电子噪声、高带宽、低

7、损耗的通道.而由聚合物、玻璃或其他特殊材料制成的光纤已经在生物医学传感中应用了半个世纪1,2.早期光纤主要用于远距离观测,但最近其应用范围不断拓宽,从简单的光管道到复杂的物理和化学传感器,从用于呼吸道、食道、尿道和无损手术操作的内窥镜成像,到临床和医学研究中进行血压或分子的物理和化学参数测量传感器.近年来,测定的靶标分子已从简单的气体和离子发展到作为细胞功能或恶性疾病生物标记的大分子.光纤及其相关技术的发展极大的拓展了这些生物传感器的应用能力.1 成 像础的光纤成像技术3.目前,弹性内窥镜是进行呼吸道、消化道和尿道恶性病变和炎症诊断的重要手段.也是进行微创手术操作的重要部分4.显微成像是生物成

8、像中一个非常重要的部分.随着ST M ,AFM 等新型扫描探针技术的出现,显微成像正得到快速的发展.光纤已在多种新型显微成像模式中得到了应用,如近场扫描光学纤维成像(NSOM,通过采用金属覆膜锥形光纤产生的狭缝突破了光学纤维成像分辨率的常规理 论极限(d K /2sin H ,该狭缝只有50nm.激光辐射输入到光纤,对样品进行扫描观察.采用合适的检测器,如光电倍增管或雪崩光电二极管可以获得透射或反射干涉光谱.光学相干断层成像(OCT作为在体显微成像也十分重要.2 物理传感对压力、力、位移和液体流量等变量的测定在生物医学应用中十分重要.在临床诊断和护理中,需要对多个重要的生理系统中的这些物理变量

9、进行测定,包括心血管系统、呼吸系统、消化道肠道系统、泌尿系统和中枢神经系统.压力的测量也许是最常见的测量参数,特别是在重症监护室对病人动脉血压的连续监测.光纤传感器可以用于生物医学中压力、力的测量.图1为一个以Fabry -Per pot 腔干涉仪为基础的传感器.入射光束在进入光纤腔体之前通过一介质部分反射回来,光纤腔体的前端有一柔性隔膜,其偏转性与外部压力P 有一定的关系.隔膜内表面将光束反射到外部仪器上,通过测量光程长29x 的不同进行压力测量.测量时最好是与低相干测量同时进行.图1 基于微Fabry -Perot 腔的光纤压力传感器用EM 辐射和激光多普勒流量计可以测量血液流量,该流量计

10、很大程度上依赖于玻璃或聚合物光纤的应用6.以H eNe 激光或固体激光二极管为光源,采用合适的光纤装置将光传输到组织内.光纤的直径从50L m 到2000L m ,可用于侵入式7和无损检测8.3 化学传感特定生物分子的检测在医学基础研究和临床护理中具有重要意义.对气体和离子等的识别比较简单,然而对蛋白质等生物大分子的识别则比258中 国 计 量 学 院 学 报第17卷较复杂并具有挑战性.SO 2=H bO 2/(H H b+H bO 2100%(1Enson 等9所述的无损测氧仪由一支包含有玻璃光纤束的胸腔导管组成.该测氧仪最初用于成人动脉、静脉或胸腔内血氧饱和度的测定.后来Ox im etr

11、ics 公司将其开发为由聚亚胺酯导管包被的聚合物光纤,并用于新生胎儿血氧饱和度的测定10.也可采用荧光淬灭传感器来测量血氧含量11.将荧光染料,如二萘嵌苯二丁酯吸附在憎水透气膜覆盖的有机珠上,以蓝光(468nm激发染料,发射光波长514nm (绿光,氧分压(PO 2根据Stern -Vo lmer 关系式计算.PO 2=const(I bl /I gr -1m(2Peterson 等开发了一种光吸收pH 传感器12.将苯酚红等敏感型染料结合在一种羟基(OH 离子透过膜上,通过光纤测量因pH 值变化引起的染料吸光度的变化.该传感器可用于新生胎儿大脑监测的光纤pH 计上,并有可能将其整合成一种螺杆

12、状针形新生胎儿大脑ECG 电极13.由于光纤可以做很小,因此可以在一支导管内放入多个传感器14.早期开发的导管系统包含三种荧光传感器,用于PO 2,PCO 2,和pH 的测定.这些重要参数的连续监测对重症监护下的成人和儿童都十分重要15. 用光电倍增管或雪崩光电二极管作为检测器.后来有人采用激光二极管作为光源,选择4至8个特征波长,根据HH b 和H bO 2的特征吸收可以测定组织的氧饱和度.定量分析的依据是Lamber-t Beer 定律,但其前提是辐射在组织中没有散射.然而在实际应用中,生物组织对辐射的多元散射使得入射光与接收光之间的实际距离大大高于其几何距离.考虑到光程因子,可利用时间流

13、逝技术或光强调制技术进行测量.虽然玻璃光纤相对易碎,但由于聚合物光纤在近红外光谱区透明度不够,因此在体近红外光谱仍主要采用玻璃光纤.图2 利用渐消波相互作用原理进行生物组织化学传感在组织中使用光纤技术的一个主要问题是水的强吸收,这限制了该方法对更多化学成分的分析.利用光谱分析技术无损检测血糖是目前最感兴趣的研究领域17.常常采用光纤传输辐射.为了保证有足够的透射,必须采用包层光纤.有人研究通过采集指端的透射光谱或其他部位的漫反射谱进行血糖的测量,如果这些研究最终获得成功,光纤的作用可能就很小了,因为光源和检测器可以直接附着在皮肤表面.消散波是光纤生物传感器的基础19.将光纤上部分包层去掉可作为

14、检测窗口.将识别分子固定在条带部分,然后与靶标分子结合,从而影响光波沿着光纤的传播,据此可以进行分子检测(图2.细胞和组织生物学研究使通过生物工程组织259第4期P Rolfe:光纤传感器在生物医学中的应用进展进行损伤或疾病组织的修复成为现实20.光学气体、pH值和糖传感器可用于细胞和组织生物反应器中反应过程的检测,以优化反应过程21.4结语目前可以通过特殊的光纤技术获得重要的新型生物医学传感器.所用设备包括布拉格光栅、微锥光纤、含有分子受体表面的光纤、干涉光纤束、卤化银光纤、纳米光纤、光源/探测器阵列复合光纤以及大量设备控制传感器.偏振测量、荧光测量、光谱测量、拉曼和干涉测量技术,与FEM、

15、多变量建模、图像重构等数学技术相结合,可用于测量数种重要的临床和生物学参数.【参考文献】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

16、gery:on ly as good as the pictureJ.Ann R CollSurg Eng,2004,86:40-41.4DRU RY N E,POLLARD R,LYE K D.From the lumento the laparoscopeJ.Arch Su rg,2004,139:1110-1126.5ROLFE P.In vivo near infra-red spectrophotometryJ.Annual Review s in Biomedical Engin eering,2000,2:315-354.6OBERG P A,NILSS ON G E,TE NL

17、AND T,et al.Use ofa new laser Doppler flow meter for m easurement of capillaryblood flow in skeletal m uscle after bullet w oun dingJ.Ac-ta Chir Scand Suppl,1979,489:145-150.7KAJIYA F,HOKI N,T OM ONAGA G,et al.A laser-Doppler-velocimeter u sing an optical fiber and its applica-tion to local velocity

18、 m easuremen t in the coronary artery J.Experientia,1981,37:1171-73.8BOGGE TT D,BLOND J,ROL FE P.Las er Doppler meas-urem ents of blood flow in skin tissu eJ.J Biom ed En g,1985,7:225-232.9ENSON W,BROSCOE W A,POLANYI M L,et al.Invivo studies w ith an intravascular and intracardiac reflection oximete

19、rJ.J Appl Physiol,1962,17:552-558.10W ILKINSON A R,PH IBBS R H,GREGORY G A.1978C on tin uous m easuremen t of oxygen saturation in sick new-b orn infantsJ.J Pediatr,93:1016-1019.11PE TERSON J I,FIT ZGERALD R V,BUCKH OLD D K.Fib re-optic probe for in vivo m easuremen t of oxygen par-tial pres sureJ.A

20、nal Ch em,1984,56:62-67.12PE TERSON J I,GOLDSTE IN S R,FITZGE RALD R V,et al.Fire-optic pH probe for physiological us eJ.Anal.C hem,1980,52:864-869.13C HAT T ERJE E M S,HOCH BERG H M.Continu ou s in-trapartu m m easuremen t of tissue pH of th e h uman fetusu sing new ly developed techniquesJ.J Perin

21、at M ed,1991,19:93-96.14GEH RICH J L,LUBBERS D W,OPT IT Z N,et al.Op-tical fluores cen ce and its ap plication to an intravascularb lood gas monitoring s ystemJ.IEEE T rans BiomedE ng,1986,33:117-132.15RAIS-BAH RAM I K,RIVERA O,M IKESELL G T,etal.Continuous blood gas monitoring u sing an in dw ellin goptode m ethod:com paris on to intermittent arterial b loodgas samplin g in ECM O patientsJ.J Perinato,2002,22:472-474.16J;BSIS F F.Non-invasive,infra-red monitoring of cere-b ral and my ocardial oxygen su fficiency and circulatory pa-