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光纤应用于医疗传感器见证医疗市场的增长

光纤的固有物理特性与其在遥感中的多功能性相结合,使其成为生物医学应用的一种有吸引力的技术。

 

随着全球人口的增长和寿命延长,全球医疗保健提供商越来越多地寻求先进的生物医学仪器,以实现更有效的患者诊断,监测和治疗。在这种情况下,光纤的生物医学传感应用越来越重要。同时,微创手术(MIS)的最新进展需要较小的一次性传感导管。

 

内窥镜成像光纤的应用已经很成熟,但光纤的固有物理特性也使它们对生物医学传感极具吸引力。未固化的纤维(通常直径小于250微米)可以直接插入皮下注射针和导管,因此它们的使用既可以是微创的又可以是高度局部化的 - 用它们制造的光纤传感器(FOS)可以执行远程多点和多参数传感。光纤不受电磁干扰(EMI),化学惰性,无毒和本质安全。它们的使用不会对医疗影院中的传统电子设备造成干扰。而且,最重要的是,光纤对电磁和射频(RF)信号的免疫性使其成为MRI,CT,PET诊断成像过程中实时使用的理想选择。

图1.有两种基本类型的光纤传感器。外部设备(a)在换能器上继电器,而固有设备(b)则不在。

 

光纤生物医学传感器

 

光纤传感器包括光源,光纤,外部传感器和光电探测器。例如,它们通过检测在光纤强度,波长或偏振内引导的光的一种或多种性质的调制来感测。通过由待测量的物理参数引起的外部扰动以直接和可重复的方式产生调制。从光属性中检测到的变化推断出感兴趣的被测量。

 

光纤传感器可以是内在的或外在的(见图1)。在本征传感器中,光永远不会离开光纤,并且感兴趣的参数通过直接作用于光纤本身而影响通过光纤传播的光的特性。在外部传感器中,扰动作用在换能器上,并且光纤简单地将光传输到感测位置和从感测位置传输光。

 

许多不同的光纤传感机制已经在工业应用和生物医学应用中得到证明其中包括光纤布拉格光栅(FBG),法布里-珀罗腔或外部光纤法布里——珀罗干涉仪(EFPI)。传感器,渐逝波,Sagnac干涉仪,Mach-Zehnder干涉仪,微弯曲,光弹性等。然而,到目前为止,最常见的是基于EFPI和FBG。基于光吸收和荧光的光谱传感器也很常见。生物医学FOS可分为四种主要类型:物理,成像,化学和生物。

 

物理传感器测量各种生理参数,如体温,血压和肌肉位移。成像传感器包括用于内部观察和成像的内窥镜装置,以及诸如光学相干断层扫描(OCT)和光声成像的更先进技术,其中内部扫描和可视化可以非侵入性地进行。化学传感器依靠荧光,光谱和指示器技术来识别和测量特定化学化合物和代谢变量(例如pH,血氧或葡萄糖水平)的存在。他们检测特定的化学物质用于诊断目的,以及监测身体的化学反应和活动。生物传感器往往更复杂,依赖于生物识别反应,如酶底物。

 

在传感器开发方面,基本的成像传感器是最发达的。用于测量物理参数的光纤传感器是下一个最普遍的,就成功产品而言,最不发达的领域是用于生物化学传感的传感器,尽管已经证明了许多FOS概念。

 

要求和应用

 

生物医学传感器呈现出独特的设计挑战以及与它们与生物有机体的界面相关的特定问题。传感器必须安全,可靠,高度稳定,生物相容,易于灭菌和高压灭菌,不易生物排斥,不需要校准(或至少保持长时间校准)。传感器封装是一个特别关键的方面,因为器件必须非常小——特别是用于植入或留置目的的器件(见图2)。设备也必须尽可能简单。

 

生物医学传感器的应用可以分类为体内或体外。体内指的是在整个生物体(例如人类患者)上的应用,体外指在体外测试——例如实验室血液测试。从传感器如何应用于患者或生物系统的角度来看,它们可以被分类为非侵入性,接触(皮肤表面),微创(留置)或侵入性(可植入)。生物医学传感器可用于人(临床),动物(兽医)或其他生物(生命科学),并且根据预期用途,可用于临床应用中的诊断,治疗或重症监护用途;研究和临床前开发;或实验室测试。

图2.用于植入或留置应用的传感器必须非常小,例如指尖上显示的微型光纤压力传感器。(由Samba Sensors AB提供)

 

最新产品开发

 

作为光纤生物医学传感器的早期先驱之一,Camino Labs(加利福尼亚州圣地亚哥)于1984年向医疗市场引入了颅内压(ICP)传感器,该传感器已成为最常用的ICP监测系统之一。世界。该装置基于强度调制光纤方案,依赖于微型波纹管作为换能器。

 

其他传感器先驱是Luxtron(加利福尼亚州圣克拉拉;现在是LumaSense的一部分)及其荧光温度传感器和FISO(魁北克市,QC,加拿大),它已成为医疗光纤压力和温度传感器的领先供应商。FISO的传感器基于使用白光干涉测量法查询的EFPI设备。新一代公司包括Opsens,Neoptix(魁北克市,QC,加拿大)和Samba Sensors(瑞典VästraFrölunda)。到目前为止,市场上最常见的医疗FOS是温度和压力监测器,但确实存在少数其他不同的传感器和仪器。随着成本下降和新的传感技术的发展,生物医学FOS的数量和多样性可能会增加。

 

在预认证试验中另一个相关的新FOS产品是EndoSense(瑞士日内瓦)TactiCath力传感导管。光纤布拉格光栅传感器安装在主动脉内导管的尖端上,该导管也用作激光消融输送探针,用于治疗心房纤维性颤动。FBG检测由它们引起的应力对心壁施加的力(见图3)。力控制对于提供产生在心脏壁中诱导的损伤以减少异常电活动所需的适当激光消融脉冲是必要的。

图3.光纤主动脉内力传感导管探针能够实时监测导管对心壁施加的力。(由EndoSense提供)

 

外表

 

生物医学传感市场为FOS提供了一个利润丰厚且不断增长的机会,特别是对于大量的一次性探针。对更多患者监测设备的需求与微创手术的趋势相结合,微创手术本身需要各种微创医疗设备以及可以结合到导管和内窥镜中的小型一次性一次性传感器 - 理想的配合用于光纤传感器。FOS作为EMI兼容传感器,在MRI(及相关技术)使用过程中监测生命体征,以及RF治疗,也是一个无可置疑的机会。

 

BCC Research(马萨诸塞州韦尔斯利)估计2007年美国病人监护设备市场价值36亿美元,2013年达到51亿美元。市场上的一次性传感器(和其他消耗品)部分估计为26亿美元。 2007年,2013年达到约34亿美元。这个全球市场的FOS份额很小,估计约为1亿美元。然而,潜力巨大,光纤生物医学传感器提供了无法获得的功能和特性。然而,高成本仍然是一个障碍,漫长的开发周期和必要的监管程序也是如此。传感器的设计和开发并非易事,必须考虑适当的材料选择,设计,生物相容性,患者安全性和其他问题。尽管如此,市场上已有几款成功的产品,未来还会有更多。

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