摘要:光纤是利用光的全反射原理制成的光传导工具，它的发明彻底改变了人类通讯的模式，为目前的信息高速公路奠定了基础。光纤传感器已成为光纤应用的一大领域，它利用光纤作为信号的传输和传感媒质，是构成现代医学仪器设备必不可少的关键部件。介绍了光纤传感器的基本原理、应用现状及其发展趋势，重点介绍了光纤传感器在生物医学当中的应用。
关键词:光纤;光纤传感器;医学应用
光纤是光学纤维的简称，它是由玻璃或塑料制成的直径为若干微米的细丝，分内外两层，是将低折射率的外层材料包在高折射率的内层纤维芯线上，并在两层之间形成良好的光学界面。当光束以入射角大于可以产生全反射的临界角入射到纤维的侧壁时，光束在侧壁处产生全反射，全反射在纤维内反复产生，传播到光纤的另一端，而不会向外泄露。在医院广泛应用的内视镜，如胃镜、直肠镜、支气管镜等都是根据光线在玻璃纤维表面多次发生全反射的原理制成的。随着光纤技术的发展，光纤传感元件已成为光纤应用的一大领域，它利用光纤作为信号的传输和传感媒质。与其他的各类传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、体积小、空间分辨率高、重量轻、易赋形、响应速度快、易实现光纤传输和远距离遥测等优点［1］。
1 光纤传感器的基本原理
光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器组成。其基本原理是将光源发出的光经入射光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的强度、频率、相位、偏振等发生变化成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测物理量。光纤传感器按测量对象分为［2］:光纤温度传感器、位置传感器、流量传感器、力传感器、速度传感器、磁场传感器、电流传感器、电压传感器、光纤图像传感器和医用光纤传感器。光纤传感器按其传感原理可分为两大类:一类是传光型传感器;另一类是传感型传感器。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，而对外界信息的“感觉”是依靠其他的功能元件来完成的。传光型传感器中的光纤是不连续的，中间有敏感元件。目前在医学上应用的主要是传光型光纤传感器。
2 光纤传感器发展现状及趋势
由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场，其研究和开发在世界范围内都引起了高度的重视，各国更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家，在军事和民用领域的应用进展都十分迅速。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。20世纪90年代，由东芝、日本电气等公司和研究机构研究开发出具有一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。我国在20世纪70年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。目前，已有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1426所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。
光纤传感技术及其相关技术的迅速发展，满足了各类控制装置及系统对信息的获取与传输提出的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高。作为系统信息获取与传输核心器件的光纤传感器的研究非常重要。目前，光纤传感器技术发展方向主要集中于以下几方面［3］:1)多用途。即一种光纤传感器要能够对多种物理量进行同时测量。2)提高分布式传感器的空间分辨率及灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程。3)新型传感材料、传感技术等的开发。4)在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀等)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。5)光纤连接器及与其他微技术(微机械、微流态学、喷镀薄膜等)结合的微光学技术。
3 光纤传感器在生物医学中的应用
如前所述，目前在医学中应用的光纤传感器主要是传光型的，以其小巧、绝缘、响应速度快、抗干扰能力强、测量精度高及与生物体亲合性好等一些常规传感器无可比拟的优点，在生物医学中有着重要作用［4，5］。随着医用光纤传感器的出现，医生可以对诸如氧饱和、pH、PO2、PCO2及血液流动速度等血液特性进行实时连续测量，改变了过去内科医生依赖间断时间检测病人，从化验室取得结果的测量方法，与传统测量方法不同的温度和压力光纤传感也投入到医学应用当中。
生物医学中光纤传感器主要应用于以下几个方面:1)将光纤导管插入血管，一部分光纤作为导光，其余作为受光，利用氧合血红蛋白与血红蛋白不同的吸收光谱，用于测量血氧饱和度。2)临床上的压力传感器主要用来测量血管内的血压、颅内压、心内压、膀胱和尿道压力等。3)利用发射光、透射光的强度随波长的分布光谱来测定活体组织和血液pH值的光纤光谱传感器等。4)国内外用微波加温热疗新技术治疗癌症已取得了明显的疗效。但微波加温治疗癌症的温度难以控制，温度过高会杀死人体的正常细胞，过低则达不到治疗的目的，还会使癌细胞进一步扩散。微波加温治疗癌症的有效温度为42.5～45℃，在这个温度内能杀死癌细胞，因此需要对这一温度进行监测，光纤温度传感器能实现这个作用。5)因为糖尿病越来越普遍以及常规方法测定葡萄糖较困难，产生了葡萄糖光纤传感器。它采用免疫技术和光纤，测量当过氧化氢存在时，葡萄糖氧化所消耗的氧。其原理为葡萄糖与荧光素标记的葡聚糖同刀豆球蛋白的竞争性结合。6)多普勒型光纤速度传感器利用多普勒效应可以测量皮下组织血流速度。7)光纤近红外的光谱分光术能对健康活器官组织进行跟踪检查而获得有用信息。当血液中存在高浓度的脂蛋白时，很容易发生血液通道的收缩或者变窄，利用近红外分光术能够辨别不同种类的脂蛋白与油脂，从而对血管粥样硬化进行分析。8)生物体大多数组织成分中未染色和未使用荧光药物的组织能产生荧光，这称为自体荧光或固有荧光、原发荧光。由于正常组织与肿瘤组织的光谱在总体强度与光谱分布方面有显著差异，用激光作激发光源，通过中心光纤传输作用于被测物，产生自体荧光。另一根光纤收集这些荧光，分析荧光光谱得到组织的健康状况，可以对人体组织的癌变作早期诊断，具有非侵入性、高灵敏性与内镜兼容及非电离辐射等特点。9)医疗上的图像传输是传输型光纤传感器应用中很有特色的一部分。除此之外，用光纤传感器也能连续检测胃中CO2气压，诊断用光纤传感器为更好地治疗病人提供了崭新的医学方法。
现代医用传感器技术已经摆脱了传统医用传感器体积大、性能差等技术缺点，形成了智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测等全新的发展方向，可以预见，随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，新型的光纤传感器系统将走进我们的生活，它将在疾病诊断、生物信息学和基因检测分析等方面显示出广泛的应用前景［6］，光纤传感器也必将会进一步推动临床医学的快速发展。
