光纤传感器在智慧医疗领域的应用综述

陈 安，韩倩倩，谷江英，徐 艳，李 燕，常 鹏

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；2.中国航天科工集团七三一医院，北京 100074）

0 引言

伴随着科技迅速发展，智慧医疗正逐渐成为医疗领域的发展趋势：患者可通过网络与医院进行联络，方便医生与患者及时交流；智慧医疗还能协助医生更精确地进行疾病诊断、优化治疗方案、降低在治疗时出现意外的概率。智慧医疗的发展需要物联网、人工智能及传感技术的支持。光纤传感技术可为智慧医疗发展提供重要的技术支撑，因此光纤传感器在智慧医疗领域具有良好的发展前景。本文将介绍光纤传感器的工作原理和特点，对光纤传感器在智慧医疗领域的应用现状进行综述，并基于光纤传感器在智慧医疗领域应用的不足提出发展展望。

1 光纤传感器的工作原理及特点

光纤传感技术自出现以来得到迅速发展，迄今已广泛地应用于通信、航天等领域。随着光纤传感技术日益成熟，其在智慧医疗领域的应用也日益广泛。光纤传感技术是指利用光纤直接或间接测量外界物理量的技术。光在光纤中传输时，通常以石英光纤或塑料光纤为信息的传播媒介、信号光为信息的载体，其相位、波长、振幅等特征参量受到外界因素（如温度、应变等）的作用时会发生变化，这一变化在光波传入光学仪器后可显示为其相应参数的变化，从而实现对外界物理量进行检测或监测。光纤传感器的工作原理如图1 所示。

图1 光纤传感器的工作原理

光纤传感器与传统传感器相比有以下特点：（1）灵敏度高、分辨力高、测量动态范围大；（2）对被测物质影响小，抗腐蚀、抗电磁干扰能力强；（3）质轻体小，几何形状具有多变性；（4）系统响应快，更便于与计算机相连接，能够实时进行监测；（5）具有较高的生物亲和性。因此，光纤传感器广泛应用于智慧医疗领域。

2 光纤传感器在智慧医疗领域的应用现状

光纤传感器已经在癌症治疗、医学成像、人体内压力监测、医疗检测、多方位监测人体机能等多个领域得到应用，促进了智慧医疗领域的进一步发展，现综述如下。

2.1 癌症治疗领域

微波辐射加温治癌技术是很重要的一项治癌技术。其原理是微波集中照射在恶性肿瘤处会造成肿瘤温度的升高，癌细胞在温度高于42.5 ℃时死亡，而正常细胞在温度高于43 ℃时才会死亡。由于这段温度间隔极小，癌症治疗时需要严格控制温度。但是常规温度计易受微波辐射的干扰，无法达到需要的精度。而光纤传感器具有抗干扰、测量精度高的性能，能够实现微波辐射条件下的精确测温。1990 年，沈忠尧等[1]研制出能够不受微波辐射干扰且能连续、精确测量被微波辐射加温的组织温度的MRC-1 型光纤温度传感器，提高了微波辐射加温治癌技术的治疗效果。这一传感器的研制，使得光纤测温技术在治癌领域的应用成为可能，并且能产生良好的治疗效果。1993，张立儒等[2]利用GaAs 半导体的本征吸收随温度变化的原理，采用双波长、单通道、比值输出的信号处理方案，研究出GaAs 光纤温度传感器，保证了治癌过程中传感器对温度监测的可靠性。1996年，基于钴盐溶液的热效应，周书铨等[3]利用时间相移技术研究出双波段光谱吸收医用光纤温度传感器。该传感器可以不受微波辐射的干扰，且在微波加温过程中能进行连续、精确测温，能够使微波辐射最大限度地在不损伤正常细胞的情况下杀死癌细胞。光纤测温技术在治癌领域的应用提高了癌症治疗的效果，充分保护了患者体内的正常细胞，减少了癌症治疗的副作用。

基于LOF（lab-on-fiber）技术的新型治疗手段能够选择适当的频率和功率进行局部照射。2022 年，Cutolo 等[4]将LOF 探头集成到医用针中（如图2 所示），通过光纤传感器精确地引导医用针到达人体的特定位置，从而使在体内进行局部液体和组织活检成为可能。这种技术允许进行局部的输送，在治疗的同时能够减少副作用、提高疗效。同年，Allison 等[5]对原发性非小细胞肺癌病例采用磁性导航支气管镜靶向和光源定位相结合的技术制定了检查组织病变的光力治疗方案。在该治疗方案中，光纤传感器通过扩散激光光源来达到光源定位的目的，因此能够准确、有效地切除肿瘤。手术过程中的荧光镜图像如图3 所示，显示了肿瘤中的激光纤维。

图2 集成LOF 探头的医用针[4]

图3 荧光镜图像显示的肿瘤中的激光纤维[5]

光纤传感器与医学的结合为癌症治疗提供了可靠的技术支持。目前，光纤传感器可以参与癌症治疗的病变检查及治疗阶段，依靠光纤传感器的精确测温功能和光信号精确定位功能，医生可以了解患者的癌症病变位置，及时制订治疗方案；对于患者，光纤传感器可以严格控制癌症治疗时的温度，避免患者体内正常细胞的过度破坏、减少患者伤痛、提高治疗效果。光纤传感器在癌症治疗领域的应用精进了癌症治疗方法和手段，推动了癌症治疗领域的进步。

2.2 医学成像领域

超声波成像技术作为一项新技术广泛应用于医学领域，虽然与其他成像技术（如X 射线）相比无电离辐射，但是目前使用的超声波探测器体积大、敏感度低、易受电磁干扰。2019 年，刚婷婷[6]针对此问题研究了多种基于相位调制的干涉型光纤超声波传感器，设计出结构紧凑的迈克尔逊干涉型超声波传感器。该传感器通过对干涉臂进行腐蚀处理，使用边带滤波、倾斜封边技术，不仅提高了超声波探测的敏感度、传感器检测的可移性，还可判别未知方向的超声源。该研究还同时设计了空气微泡型法布里-珀罗干涉仪型光纤超声波传感器，用以扩大超声波频率检测范围。光纤传感技术与超声波成像技术的结合提高了成像精度，为超声成像带来技术上的突破。

光学相干层析（opticalcoherencetomography，OCT）技术是一种新兴的分辨力高、成像速度快的医学成像技术，但传统OCT 系统的成像深度仅有1～3 mm，有很大的局限性，且探针虽然微创，但在成像过程中易造成不舒服，甚至创伤，故很多学者开始研究超小光学探头以克服这些缺点，而超小光学探头的设计对成像结果极为重要。2007 年，Mao 等[7]设计了超小GRIN（graded index）光纤医学成像探针模型——“单模光纤+无芯光纤+GRIN 光纤”结构，验证了无芯光纤能够在保证良好成像效果的前提下提高探头工作距离。2017 年，Ding 等[8]基于在单模光纤与大纤芯多模光纤之间采用过渡拉锥段作为衔接的观点，设计了一种基于拉锥结构的超小光纤探头（如图4 所示），能够减少探头的插入损耗、提高探头的光传输效率。实验结果表明，该探头在半高宽（full width at half maxima，FWHM）光束直径小于30 μm 的情况下实现了0.6 mm 的有效成像范围，且当其对指尖进行OCT成像时，可以清晰地识别指尖的分层结构和血管。2020 年，毕书博等[9]建立了基于超小自然聚焦光纤探头的扫频OCT 系统，可以提高探头的聚焦性和信号收集能力，使得成像结果更清晰。将光纤探头应用于OCT 技术，通过光纤提高探头的集光能力，进而提高成像精度，有利于促进医学成像技术的发展。

图4 超小光纤探头[8]

此外，医学领域还使用胃镜成像技术精准地监测胃部组织状况。因创伤小、恢复快的特点，胃镜成像已成为胃部疾病诊断的重要手段，但是目前所用的电子胃镜和超声胃镜无法分辨血流信息。2020年，张欢等[10]设计了一种基于光纤胃镜的血流成像系统，该系统利用激光散斑成像技术设计，采用内含15 000 根传像光纤的光纤胃镜，可获取清晰的组织结构信息和组织不同部位的相对血流速度，对胃部疾病的诊断具有重要意义。

以上研究表明，在传统医学成像的基础上应用光纤传感器使得医学成像技术的发展更上一层楼，二者的融合使得成像结果更加清晰、精确且成像技术适用范围更加广泛。

2.3 人体内压力监测

人体内压力监测对于器官或组织病变的检查、实时分析手术中身体状况有重要的作用。相对于传统的压力传感器，光纤传感器因其体积小、灵敏度高、抗干扰能力强的优点能够适用于人体内压力的监测，包括颅内压力、咽部压力、心血管及血液压力、椎间盘压力、分娩时子宫压力、结肠压力、足底压力、剪切压力等的监测。

气管压力能反映出人体的呼吸机能，比如高气道压会严重损坏肺部功能，所以气管压力监测非常重要，尤其在小儿科重症特别护理时。2002 年，Sondergaard等[11]基于光纤干涉原理设计出光纤压力传感器，用以监测小儿呼吸时的气管内压力，可为小儿气管插管提供可靠的器官压力测量。同年，Reesink 等[12]开发了一套用于血液压力检测的光纤传感系统，该系统能够准确且实时地记录血液中的压力。2007 年，Takeuchi等[13]设计了咽部光纤压力传感器（如图5 所示），能够准确地记录咽部的侧压和吸压。2011 年，Tucker-Schwartz 等[14]使用精密的光纤压力传感器和信号分析法，研发出可用于识别心包压力频率信号的光纤传感系统，能够记录压力-频率信号，可为后续研究提供数据基础。2013 年，余芳芳等[15]提出了能够测量食管曲张静脉压的光纤传感器概念，开发了基于光纤压力传感器的食道曲张静脉测压系统。该系统可通过胃镜活检孔通道插入，且能够获得精准的食管静脉曲张压力和稳定的压力曲线。2015 年，李玉婷等[16]设计了一种用于颅内压测量的膜片式光纤法布里-珀罗压力传感器，该传感器既可以检测人体颅内压又降低了制造成本，推广程度更高。总之，将光纤传感器应用于医学领域，使得获取人体内组织器官的压力成为可能。

图5 咽部光纤压力传感器[13]

2.4 医疗检测领域

光纤传感器能够精确定位，其与生物学的结合为医疗检测领域提供了高精度的检测技术，可避免复杂环境对检测的干扰，达到提高检测精度的目的，同时可得到被检测参数较为全面的信息。

在治疗神经类疾病时，传统的电激等疗法会有失忆、阵痛等副作用。美国斯坦福中心结合光遗传学技术、转基因工程技术和光纤传感器设计了“光纤开关”模型。该模型采用绿藻中的探光蛋白作为视蛋白，使用光控的方法高精度地对神经元进行刺激，同时控制神经元的开合[17]。

光纤传感器不仅可以结合视蛋白检测神经元的位置，还可以结合其他元素对菌体或者体液进行检测。2013 年，袁侨英等[18]采用光纤传感探头结构研制了一种新型体液生物信息光纤动态检测系统，能对人体体液（包括血液）进行检测，获取患者较为全面的体液信息。该系统同时适用于微血管内血液参数的检测，可以得到异于标准体液的参数，实时了解人体的病理、生理状态。2016 年，陈肇娜等[19]基于待测物中载脂蛋白apoB100 的不同浓度会引起颜色或浊度变化，从而导致光强的变化，设计了“U”型聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）微流控芯片-光纤传感器系统（如图6 所示），该系统为分立便携式检测体系，消除了复杂的生物化学环境对光学检测的干扰，同时使检测系统得到重复利用。

图6 PDMS 微流控芯片-光纤传感器系统[19]

随着时代的进步，光纤传感器应用于医疗检测技术上的研究不断拓展和精进，不仅包括视蛋白的识别，还能够测量血氧饱和度，采用光纤光谱传感器能够测量活体组织和血液的pH 值（如图7 所示），结合光纤和免疫技术的葡萄糖光纤传感器还可用于测量葡萄糖浓度，利用多普勒光纤传感器还可以通过多普勒效应测量皮下组织血流速度（如图8 所示）[20]。

图7 测量pH 值的光纤光谱传感器[20]

图8 测量血流速度的多普勒光纤传感器[20]

2.5 多方位监测人体机能

传统力学传感器只能单点测量人体机能，但疾病往往需要通过多点位的监测结合人体多项机能进行全方位的评估，光纤传感网的应用使多点位、多参数监测成为可能。2016 年，Cai 等[21]研制出超灵敏柔性被动光纤传感器，这种被动光纤传感器不仅可以监测手运动、嘴巴活动（张开-咬动-闭合）、眨眼或呼吸引起的压力变化，还可以区分这些肌肉运动的强度。此外，该传感器还可用于监测人体生理信号，如径向脉波和心尖搏动图等，具有良好的信噪比、稳定性和再现性。2017 年，Presti 等[22]将6 个光纤布拉格光栅传感器应用于MR 环境，设计了MR 兼容智能纺织品，可以收集低频的大位移（与呼吸有关）和高频的小位移（与心脏活动有关），允许评估安静呼吸和呼吸暂停期间的呼吸和心脏活动。2019 年，汪静逸[23]基于多维编码微结构单纤集成的光纤压力传感网具有高精度、多测点测量、可侵入人体的优点设计了多维编码微结构光纤传感器，该传感器可以满足消化道动力监测，能够实时测绘出胃肠道中动态压力波的分布曲线图。同时，该研究基于小型化膜片式光纤传感阵列可以满足人体声学信号测量对非侵入式、高信噪比、多点测量的要求，设计了小型化膜片式光纤传感器，并将其应用于脉搏监测中，研制出可穿戴式的光纤脉搏监测腕带，能够进行多位置同步监测，高保真地显示出脉搏波形。2018 年，Massaroni等[24]基于12 个光纤布拉格光栅传感器研制出智能纺织品（如图9 所示），该智能纺织品能够监测呼吸状况及胸腹运动模式，且在监测胸腹形态及其变化方面表现出良好的性能。其在监测呼吸状态时能够监测多种暂时性呼吸参数，即逐次呼吸的呼吸周期、呼吸频率，吸气和呼气阶段的持续时间，整个胸壁及其隔室的体积变化。

图9 智能纺织品上的光纤布拉格光栅传感器配置[24]

3 光纤传感器在智慧医疗领域的发展前景

光纤传感器在智慧医疗领域的用途极为广泛，可以发展更多种类的光纤传感器，包括强度型光纤传感器、相位型光纤传感器、波长型光纤传感器等，为智慧医疗领域开辟新天地。同时要敢于大胆创新，推动产品多元化，打造一个多姿多彩的与光纤传感器结合的智慧医疗行业。但是光纤传感器制作成本高，制备技艺复杂，应用于智慧医学领域时导致医疗设备成本增加。目前，医疗光纤传感器工业化程度较低，小城市医院使用较少，因此没有得到广泛应用。针对这一问题，应最大限度地降低医疗光纤传感器的应用成本，在不影响精度和功能的情况下研究简化光纤传感器的制备工艺流程，以加速医用光纤传感器的工业化进程。另外，目前光纤传感器无法完成超大曲率的弯曲，大曲率光纤在医学领域的应用仍需进一步研究。

4 结语

光纤传感器因其独有的优势，解决了许多传统传感器无法解决的问题。随着光纤传感器在智慧医疗领域的研究日益成熟，其商业化速度不断加快，各类新型医学光纤传感器不断出现。光纤传感器除可用于医疗设备外，还可用于居家监测，包括用于测量血糖的小型居家医学光纤传感器、监测康复患者康复程度的穿戴型医学光纤传感器等。医用光纤传感器智能化、微型化、多参数的特点为智慧医疗领域的快速发展奠定了基础。随着光纤传感器优势的逐渐发掘、技术的日益成熟、制备工艺的逐步完善，光纤传感器将会推动智慧医疗进一步发展。可以预测，光纤传感器在智慧医疗领域有着巨大的发展前景。