陳 安，韓倩倩，谷江英，徐 艷，李 燕，常 鵬

（1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044；2.中國航天科工集團七三一醫(yī)院，北京 100074）

0 引言

伴隨著科技迅速發(fā)展，智慧醫(yī)療正逐漸成為醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展趨勢：患者可通過網(wǎng)絡與醫(yī)院進行聯(lián)絡，方便醫(yī)生與患者及時交流；智慧醫(yī)療還能協(xié)助醫(yī)生更精確地進行疾病診斷、優(yōu)化治療方案、降低在治療時出現(xiàn)意外的概率。智慧醫(yī)療的發(fā)展需要物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及傳感技術(shù)的支持。光纖傳感技術(shù)可為智慧醫(yī)療發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐，因此光纖傳感器在智慧醫(yī)療領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。本文將介紹光纖傳感器的工作原理和特點，對光纖傳感器在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀進行綜述，并基于光纖傳感器在智慧醫(yī)療領(lǐng)域應用的不足提出發(fā)展展望。

1 光纖傳感器的工作原理及特點

光纖傳感技術(shù)自出現(xiàn)以來得到迅速發(fā)展，迄今已廣泛地應用于通信、航天等領(lǐng)域。隨著光纖傳感技術(shù)日益成熟，其在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應用也日益廣泛。光纖傳感技術(shù)是指利用光纖直接或間接測量外界物理量的技術(shù)。光在光纖中傳輸時，通常以石英光纖或塑料光纖為信息的傳播媒介、信號光為信息的載體，其相位、波長、振幅等特征參量受到外界因素（如溫度、應變等）的作用時會發(fā)生變化，這一變化在光波傳入光學儀器后可顯示為其相應參數(shù)的變化，從而實現(xiàn)對外界物理量進行檢測或監(jiān)測。光纖傳感器的工作原理如圖1 所示。

圖1 光纖傳感器的工作原理

光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有以下特點：（1）靈敏度高、分辨力高、測量動態(tài)范圍大；（2）對被測物質(zhì)影響小，抗腐蝕、抗電磁干擾能力強；（3）質(zhì)輕體小，幾何形狀具有多變性；（4）系統(tǒng)響應快，更便于與計算機相連接，能夠?qū)崟r進行監(jiān)測；（5）具有較高的生物親和性。因此，光纖傳感器廣泛應用于智慧醫(yī)療領(lǐng)域。

2 光纖傳感器在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀

光纖傳感器已經(jīng)在癌癥治療、醫(yī)學成像、人體內(nèi)壓力監(jiān)測、醫(yī)療檢測、多方位監(jiān)測人體機能等多個領(lǐng)域得到應用，促進了智慧醫(yī)療領(lǐng)域的進一步發(fā)展，現(xiàn)綜述如下。

2.1 癌癥治療領(lǐng)域

微波輻射加溫治癌技術(shù)是很重要的一項治癌技術(shù)。其原理是微波集中照射在惡性腫瘤處會造成腫瘤溫度的升高，癌細胞在溫度高于42.5 ℃時死亡，而正常細胞在溫度高于43 ℃時才會死亡。由于這段溫度間隔極小，癌癥治療時需要嚴格控制溫度。但是常規(guī)溫度計易受微波輻射的干擾，無法達到需要的精度。而光纖傳感器具有抗干擾、測量精度高的性能，能夠?qū)崿F(xiàn)微波輻射條件下的精確測溫。1990 年，沈忠堯等[1]研制出能夠不受微波輻射干擾且能連續(xù)、精確測量被微波輻射加溫的組織溫度的MRC-1 型光纖溫度傳感器，提高了微波輻射加溫治癌技術(shù)的治療效果。這一傳感器的研制，使得光纖測溫技術(shù)在治癌領(lǐng)域的應用成為可能，并且能產(chǎn)生良好的治療效果。1993，張立儒等[2]利用GaAs 半導體的本征吸收隨溫度變化的原理，采用雙波長、單通道、比值輸出的信號處理方案，研究出GaAs 光纖溫度傳感器，保證了治癌過程中傳感器對溫度監(jiān)測的可靠性。1996年，基于鈷鹽溶液的熱效應，周書銓等[3]利用時間相移技術(shù)研究出雙波段光譜吸收醫(yī)用光纖溫度傳感器。該傳感器可以不受微波輻射的干擾，且在微波加溫過程中能進行連續(xù)、精確測溫，能夠使微波輻射最大限度地在不損傷正常細胞的情況下殺死癌細胞。光纖測溫技術(shù)在治癌領(lǐng)域的應用提高了癌癥治療的效果，充分保護了患者體內(nèi)的正常細胞，減少了癌癥治療的副作用。

基于LOF（lab-on-fiber）技術(shù)的新型治療手段能夠選擇適當?shù)念l率和功率進行局部照射。2022 年，Cutolo 等[4]將LOF 探頭集成到醫(yī)用針中（如圖2 所示），通過光纖傳感器精確地引導醫(yī)用針到達人體的特定位置，從而使在體內(nèi)進行局部液體和組織活檢成為可能。這種技術(shù)允許進行局部的輸送，在治療的同時能夠減少副作用、提高療效。同年，Allison 等[5]對原發(fā)性非小細胞肺癌病例采用磁性導航支氣管鏡靶向和光源定位相結(jié)合的技術(shù)制定了檢查組織病變的光力治療方案。在該治療方案中，光纖傳感器通過擴散激光光源來達到光源定位的目的，因此能夠準確、有效地切除腫瘤。手術(shù)過程中的熒光鏡圖像如圖3 所示，顯示了腫瘤中的激光纖維。

圖2 集成LOF 探頭的醫(yī)用針[4]

圖3 熒光鏡圖像顯示的腫瘤中的激光纖維[5]

光纖傳感器與醫(yī)學的結(jié)合為癌癥治療提供了可靠的技術(shù)支持。目前，光纖傳感器可以參與癌癥治療的病變檢查及治療階段，依靠光纖傳感器的精確測溫功能和光信號精確定位功能，醫(yī)生可以了解患者的癌癥病變位置，及時制訂治療方案；對于患者，光纖傳感器可以嚴格控制癌癥治療時的溫度，避免患者體內(nèi)正常細胞的過度破壞、減少患者傷痛、提高治療效果。光纖傳感器在癌癥治療領(lǐng)域的應用精進了癌癥治療方法和手段，推動了癌癥治療領(lǐng)域的進步。

2.2 醫(yī)學成像領(lǐng)域

超聲波成像技術(shù)作為一項新技術(shù)廣泛應用于醫(yī)學領(lǐng)域，雖然與其他成像技術(shù)（如X 射線）相比無電離輻射，但是目前使用的超聲波探測器體積大、敏感度低、易受電磁干擾。2019 年，剛婷婷[6]針對此問題研究了多種基于相位調(diào)制的干涉型光纖超聲波傳感器，設計出結(jié)構(gòu)緊湊的邁克爾遜干涉型超聲波傳感器。該傳感器通過對干涉臂進行腐蝕處理，使用邊帶濾波、傾斜封邊技術(shù)，不僅提高了超聲波探測的敏感度、傳感器檢測的可移性，還可判別未知方向的超聲源。該研究還同時設計了空氣微泡型法布里-珀羅干涉儀型光纖超聲波傳感器，用以擴大超聲波頻率檢測范圍。光纖傳感技術(shù)與超聲波成像技術(shù)的結(jié)合提高了成像精度，為超聲成像帶來技術(shù)上的突破。

光學相干層析（opticalcoherencetomography，OCT）技術(shù)是一種新興的分辨力高、成像速度快的醫(yī)學成像技術(shù)，但傳統(tǒng)OCT 系統(tǒng)的成像深度僅有1～3 mm，有很大的局限性，且探針雖然微創(chuàng)，但在成像過程中易造成不舒服，甚至創(chuàng)傷，故很多學者開始研究超小光學探頭以克服這些缺點，而超小光學探頭的設計對成像結(jié)果極為重要。2007 年，Mao 等[7]設計了超小GRIN（graded index）光纖醫(yī)學成像探針模型——“單模光纖+無芯光纖+GRIN 光纖”結(jié)構(gòu)，驗證了無芯光纖能夠在保證良好成像效果的前提下提高探頭工作距離。2017 年，Ding 等[8]基于在單模光纖與大纖芯多模光纖之間采用過渡拉錐段作為銜接的觀點，設計了一種基于拉錐結(jié)構(gòu)的超小光纖探頭（如圖4 所示），能夠減少探頭的插入損耗、提高探頭的光傳輸效率。實驗結(jié)果表明，該探頭在半高寬（full width at half maxima，F(xiàn)WHM）光束直徑小于30 μm 的情況下實現(xiàn)了0.6 mm 的有效成像范圍，且當其對指尖進行OCT成像時，可以清晰地識別指尖的分層結(jié)構(gòu)和血管。2020 年，畢書博等[9]建立了基于超小自然聚焦光纖探頭的掃頻OCT 系統(tǒng)，可以提高探頭的聚焦性和信號收集能力，使得成像結(jié)果更清晰。將光纖探頭應用于OCT 技術(shù)，通過光纖提高探頭的集光能力，進而提高成像精度，有利于促進醫(yī)學成像技術(shù)的發(fā)展。

圖4 超小光纖探頭[8]

此外，醫(yī)學領(lǐng)域還使用胃鏡成像技術(shù)精準地監(jiān)測胃部組織狀況。因創(chuàng)傷小、恢復快的特點，胃鏡成像已成為胃部疾病診斷的重要手段，但是目前所用的電子胃鏡和超聲胃鏡無法分辨血流信息。2020年，張歡等[10]設計了一種基于光纖胃鏡的血流成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用激光散斑成像技術(shù)設計，采用內(nèi)含15 000 根傳像光纖的光纖胃鏡，可獲取清晰的組織結(jié)構(gòu)信息和組織不同部位的相對血流速度，對胃部疾病的診斷具有重要意義。

以上研究表明，在傳統(tǒng)醫(yī)學成像的基礎(chǔ)上應用光纖傳感器使得醫(yī)學成像技術(shù)的發(fā)展更上一層樓，二者的融合使得成像結(jié)果更加清晰、精確且成像技術(shù)適用范圍更加廣泛。

2.3 人體內(nèi)壓力監(jiān)測

人體內(nèi)壓力監(jiān)測對于器官或組織病變的檢查、實時分析手術(shù)中身體狀況有重要的作用。相對于傳統(tǒng)的壓力傳感器，光纖傳感器因其體積小、靈敏度高、抗干擾能力強的優(yōu)點能夠適用于人體內(nèi)壓力的監(jiān)測，包括顱內(nèi)壓力、咽部壓力、心血管及血液壓力、椎間盤壓力、分娩時子宮壓力、結(jié)腸壓力、足底壓力、剪切壓力等的監(jiān)測。

氣管壓力能反映出人體的呼吸機能，比如高氣道壓會嚴重損壞肺部功能，所以氣管壓力監(jiān)測非常重要，尤其在小兒科重癥特別護理時。2002 年，Sondergaard等[11]基于光纖干涉原理設計出光纖壓力傳感器，用以監(jiān)測小兒呼吸時的氣管內(nèi)壓力，可為小兒氣管插管提供可靠的器官壓力測量。同年，Reesink 等[12]開發(fā)了一套用于血液壓力檢測的光纖傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準確且實時地記錄血液中的壓力。2007 年，Takeuchi等[13]設計了咽部光纖壓力傳感器（如圖5 所示），能夠準確地記錄咽部的側(cè)壓和吸壓。2011 年，Tucker-Schwartz 等[14]使用精密的光纖壓力傳感器和信號分析法，研發(fā)出可用于識別心包壓力頻率信號的光纖傳感系統(tǒng)，能夠記錄壓力-頻率信號，可為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2013 年，余芳芳等[15]提出了能夠測量食管曲張靜脈壓的光纖傳感器概念，開發(fā)了基于光纖壓力傳感器的食道曲張靜脈測壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過胃鏡活檢孔通道插入，且能夠獲得精準的食管靜脈曲張壓力和穩(wěn)定的壓力曲線。2015 年，李玉婷等[16]設計了一種用于顱內(nèi)壓測量的膜片式光纖法布里-珀羅壓力傳感器，該傳感器既可以檢測人體顱內(nèi)壓又降低了制造成本，推廣程度更高?？傊瑢⒐饫w傳感器應用于醫(yī)學領(lǐng)域，使得獲取人體內(nèi)組織器官的壓力成為可能。

圖5 咽部光纖壓力傳感器[13]

2.4 醫(yī)療檢測領(lǐng)域

光纖傳感器能夠精確定位，其與生物學的結(jié)合為醫(yī)療檢測領(lǐng)域提供了高精度的檢測技術(shù)，可避免復雜環(huán)境對檢測的干擾，達到提高檢測精度的目的，同時可得到被檢測參數(shù)較為全面的信息。

在治療神經(jīng)類疾病時，傳統(tǒng)的電激等療法會有失憶、陣痛等副作用。美國斯坦福中心結(jié)合光遺傳學技術(shù)、轉(zhuǎn)基因工程技術(shù)和光纖傳感器設計了“光纖開關(guān)”模型。該模型采用綠藻中的探光蛋白作為視蛋白，使用光控的方法高精度地對神經(jīng)元進行刺激，同時控制神經(jīng)元的開合[17]。

光纖傳感器不僅可以結(jié)合視蛋白檢測神經(jīng)元的位置，還可以結(jié)合其他元素對菌體或者體液進行檢測。2013 年，袁僑英等[18]采用光纖傳感探頭結(jié)構(gòu)研制了一種新型體液生物信息光纖動態(tài)檢測系統(tǒng)，能對人體體液（包括血液）進行檢測，獲取患者較為全面的體液信息。該系統(tǒng)同時適用于微血管內(nèi)血液參數(shù)的檢測，可以得到異于標準體液的參數(shù)，實時了解人體的病理、生理狀態(tài)。2016 年，陳肇娜等[19]基于待測物中載脂蛋白apoB100 的不同濃度會引起顏色或濁度變化，從而導致光強的變化，設計了“U”型聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）微流控芯片-光纖傳感器系統(tǒng)（如圖6 所示），該系統(tǒng)為分立便攜式檢測體系，消除了復雜的生物化學環(huán)境對光學檢測的干擾，同時使檢測系統(tǒng)得到重復利用。

圖6 PDMS 微流控芯片-光纖傳感器系統(tǒng)[19]

隨著時代的進步，光纖傳感器應用于醫(yī)療檢測技術(shù)上的研究不斷拓展和精進，不僅包括視蛋白的識別，還能夠測量血氧飽和度，采用光纖光譜傳感器能夠測量活體組織和血液的pH 值（如圖7 所示），結(jié)合光纖和免疫技術(shù)的葡萄糖光纖傳感器還可用于測量葡萄糖濃度，利用多普勒光纖傳感器還可以通過多普勒效應測量皮下組織血流速度（如圖8 所示）[20]。

圖7 測量pH 值的光纖光譜傳感器[20]

圖8 測量血流速度的多普勒光纖傳感器[20]

2.5 多方位監(jiān)測人體機能

傳統(tǒng)力學傳感器只能單點測量人體機能，但疾病往往需要通過多點位的監(jiān)測結(jié)合人體多項機能進行全方位的評估，光纖傳感網(wǎng)的應用使多點位、多參數(shù)監(jiān)測成為可能。2016 年，Cai 等[21]研制出超靈敏柔性被動光纖傳感器，這種被動光纖傳感器不僅可以監(jiān)測手運動、嘴巴活動（張開-咬動-閉合）、眨眼或呼吸引起的壓力變化，還可以區(qū)分這些肌肉運動的強度。此外，該傳感器還可用于監(jiān)測人體生理信號，如徑向脈波和心尖搏動圖等，具有良好的信噪比、穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。2017 年，Presti 等[22]將6 個光纖布拉格光柵傳感器應用于MR 環(huán)境，設計了MR 兼容智能紡織品，可以收集低頻的大位移（與呼吸有關(guān)）和高頻的小位移（與心臟活動有關(guān)），允許評估安靜呼吸和呼吸暫停期間的呼吸和心臟活動。2019 年，汪靜逸[23]基于多維編碼微結(jié)構(gòu)單纖集成的光纖壓力傳感網(wǎng)具有高精度、多測點測量、可侵入人體的優(yōu)點設計了多維編碼微結(jié)構(gòu)光纖傳感器，該傳感器可以滿足消化道動力監(jiān)測，能夠?qū)崟r測繪出胃腸道中動態(tài)壓力波的分布曲線圖。同時，該研究基于小型化膜片式光纖傳感陣列可以滿足人體聲學信號測量對非侵入式、高信噪比、多點測量的要求，設計了小型化膜片式光纖傳感器，并將其應用于脈搏監(jiān)測中，研制出可穿戴式的光纖脈搏監(jiān)測腕帶，能夠進行多位置同步監(jiān)測，高保真地顯示出脈搏波形。2018 年，Massaroni等[24]基于12 個光纖布拉格光柵傳感器研制出智能紡織品（如圖9 所示），該智能紡織品能夠監(jiān)測呼吸狀況及胸腹運動模式，且在監(jiān)測胸腹形態(tài)及其變化方面表現(xiàn)出良好的性能。其在監(jiān)測呼吸狀態(tài)時能夠監(jiān)測多種暫時性呼吸參數(shù)，即逐次呼吸的呼吸周期、呼吸頻率，吸氣和呼氣階段的持續(xù)時間，整個胸壁及其隔室的體積變化。

圖9 智能紡織品上的光纖布拉格光柵傳感器配置[24]

3 光纖傳感器在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展前景

光纖傳感器在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的用途極為廣泛，可以發(fā)展更多種類的光纖傳感器，包括強度型光纖傳感器、相位型光纖傳感器、波長型光纖傳感器等，為智慧醫(yī)療領(lǐng)域開辟新天地。同時要敢于大膽創(chuàng)新，推動產(chǎn)品多元化，打造一個多姿多彩的與光纖傳感器結(jié)合的智慧醫(yī)療行業(yè)。但是光纖傳感器制作成本高，制備技藝復雜，應用于智慧醫(yī)學領(lǐng)域時導致醫(yī)療設備成本增加。目前，醫(yī)療光纖傳感器工業(yè)化程度較低，小城市醫(yī)院使用較少，因此沒有得到廣泛應用。針對這一問題，應最大限度地降低醫(yī)療光纖傳感器的應用成本，在不影響精度和功能的情況下研究簡化光纖傳感器的制備工藝流程，以加速醫(yī)用光纖傳感器的工業(yè)化進程。另外，目前光纖傳感器無法完成超大曲率的彎曲，大曲率光纖在醫(yī)學領(lǐng)域的應用仍需進一步研究。

4 結(jié)語

光纖傳感器因其獨有的優(yōu)勢，解決了許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題。隨著光纖傳感器在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的研究日益成熟，其商業(yè)化速度不斷加快，各類新型醫(yī)學光纖傳感器不斷出現(xiàn)。光纖傳感器除可用于醫(yī)療設備外，還可用于居家監(jiān)測，包括用于測量血糖的小型居家醫(yī)學光纖傳感器、監(jiān)測康復患者康復程度的穿戴型醫(yī)學光纖傳感器等。醫(yī)用光纖傳感器智能化、微型化、多參數(shù)的特點為智慧醫(yī)療領(lǐng)域的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著光纖傳感器優(yōu)勢的逐漸發(fā)掘、技術(shù)的日益成熟、制備工藝的逐步完善，光纖傳感器將會推動智慧醫(yī)療進一步發(fā)展?？梢灶A測，光纖傳感器在智慧醫(yī)療領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展前景。