背景：人体内压力尤其是食道曲张静脉压力监测是近年来研究的热点，光纤传感器在人体内压力监测方面取 得了较大的进展。

　　目的：综述光纤传感器在人体内压力监测中的应用。

　　方法：以“光纤传感器，压力，测量；fiber optical sensor, pressure, measurement”为检索词，应用计算机

　　结果与结论：与传统传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高、动态范围大、响应速度快、不受电磁干扰、防 爆防燃、防腐蚀等优点，已被用于食道静脉曲张压力、颅内压、咽部压力、小儿气管内压力、心血管及血液 压力、椎间盘压力、分娩时子宫内压力、结肠内压力、足底压力和剪切力等人体压力的测量。可见光纤传感 器在医学中压力监测方面的应用越来越广泛，相信随着制作技术的成熟和器件性能的不断提高，不久的将来 光纤传感器将会进一步推动医学的快速发展。

　　20世纪70年代中期，人们开始意识到光纤不仅具 有传光的特性，而且本身就可以构成一种直接交换信 息的元件。光纤传感器具有传统传感器所不可比的优 点：灵敏度高、动态范围大、响应速度快、不受电磁 干扰、防爆防燃、防腐蚀、易于远距离遥测、保密性 好、质量轻、机械强度高等[1]。

　　光纤主要应用于通讯领域，以提供低电子噪声、 高带宽、低损耗的通道。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。

　　早期光纤主要使用于远距离观测中，但最近应用 范围不断拓宽。随着光纤传感技术和通信技术的迅速 发展与应用，光纤传感器得到了越来越广泛的应用。 光纤传感器种类较多，如光纤测氧计、光纤血流计、 光纤体温计等，文章主要介绍光纤压力传感器，现将 光纤传感器在人体内压力的监测应用做一综述。

　　1.1资料来源

　　应用计算机检索CNK丨和PubMed数 据库中1983年1月至2013年3月关于光纤传感器测压 的文章，在标题和摘要中以“光纤传感器，压力，测 量”或 “fiber optic sensor, pressure, measurement”为检索词进行检索。最终选择关于光纤传感器在人体内压力监测中 的40篇文献进行综述。

　　1.2入选标准

　　纳入标准：①具有创新性的原创文章。②论点鲜明，论据可靠。③对同一领域内，选择发表在近期或 者权威性杂志上的文献。
排除标准：论点陈旧，研究重复。

　　1.3质量评估计算机初检得到136篇文献，通过阅 读题名与摘要，排除与究目的、内容不相关及研究重 复的文章80篇，对其余56篇查找全文，最后保留与纳 入完全符合标准的40篇文章进行整理分析。

　　2 　结果

　　2.1　光纤传感器的基本工作原理光纤传感器的基本

　　工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使 待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光 学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等) 发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

　　光纤传感器的测量原理有2种。①物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化 的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工 作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因 素，如温度、压力、电场、磁场等改变时，其传光特 性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果 能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被 测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或 功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行 波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量 光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度 的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干 涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或 压等。②结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电 路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒 质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

　　2.2　对颅内压的监测暴露于爆炸波时可引起脑部损 伤，目前爆炸波所导致的准确脑部损伤机制仍不明 确。Chavko等[3]将光纤压力传感器用于监测爆炸时 大鼠脑部的压力波。光纤传感器被放置于大鼠第三脑 室，该大鼠暴露于40 kPa冲击波的充气压力驱动激 波管中。传感器是由硅股制成的膜组成的微小 Fabry-Perot腔，该膜为压力敏感元件。当作用于传 感器的压力增加时，硅股膜发生变形，传感器 Fabry-Perot腔被压缩。由于传感器连接在多模光纤 上，该多模光纤可以传导传感器和信号调整器之间的光纤信号。

　　这种微小压力传感器分辨率及频率响应可以用来研究能量转换，该能量转换可以作为人体不同部分 暴露于爆炸区的结果，这样可以对损伤机制有更好的 了解，并制定更好的保护措施来应对爆炸波所致损 伤。增高的颅内压是缺血性脑损伤，包括脑卒中、脑 损伤和心脏骤停过程中亟需解决的问题之一。临床中 目前的治疗是控制升高的颅内压，有必要在动物模型 中对颅内压进行监测，更深一步了解发生机制、提出 新的治疗方法。目前测量颅内压的方法为导管插入 法，这种心室内导管插入法已成为人颅内压测量的金 标准[4]。但这种测压方法要去除部分头颅骨，导管插 入脑组织中是一种有创性检查方法，心室导管有 60/〇-11°/〇的感染率，并不被临床所接受[5]。Murtha 等问将光纤传感器用于老鼠硬膜外颅内压监测，具有 很高的压力保真度。将传感器放置于硬膜外而不是脑 组织，通过实验表明光纤传感器可以准确、敏感地检 测颅内压，且不会对脑部造成重大损伤。

　　Tamburrini 等[7]将光纤压力传感器用于连续监测颅内压，实验结 果表明光纤设备所测得的压力结果可靠、且并发症 少。Gelabert-Gonzalez 等[8]提出 Camino 传感器仍 然是危重脑外科患者中最常用的颅内压监测设备，该系统提供了可靠的颅内压测量，且可以体内重新校准，技术上的并发症发生率低。

　　2.3　咽部压力的测量咽部压力的测量是诊断呑咽功能方法之一。Takeuchi等[9]将光纤传感器用于测量咽 部压力，对呑咽进行分析。该传感器是由对流体和空 气敏感的光纤压力传感器及其附件组成。附件由薄的 聚四氟乙烯管、苯乙烯管、硅树脂管和生理盐水组成。 聚四氟乙烯管的压力敏感部件长度为15 mm，该数 值是以食管上括约肌的压力区域的平均宽度为依据 而设计的。苯乙烯管可以帮助传感器插入到咽部，生 理盐水为不可压缩的流体，可以传递压力到传感器膜 上。因此，光纤测压计可以充分探测出食糜运动诱导 的食管胃横向压力和吸入压力。在咽部测压中食管胃 段产生的压力有重要的作用。将光纤传感器用于患者 咽部测压，该患者没有咽部和上消化道的功能紊乱， 在内镜监测时比较光纤咽部测压计和传统压力传感器检测结果，发现光纤咽部测压计具有光学传感器及 传统固态传感器的特征，所测得的压力结果与传统测 压结果呈线性相关。

　　2.4　小儿气管内压力测量呼吸监测是评价机体生理 状态的最重要的一个部分，它可以提供心血管系统、 神经系统、呼吸系统重要信息，小儿科重症特别护理 时呼吸监测是必要的。Sondergaard等[10]使用光纤传 感器用于小儿呼吸时监测气管内压力，该压力传感器 由直径0.42 mm微型硅传感器芯片和直径0.25 mm 光纤传导纤维组成，它是基于光纤干涉原理设计而成 的，设计变量可以涵盖不同的压力范围。实验结果表明，在气小儿管插管时光纤传感器提供了一个可靠的 和有前景的气管压力测量。Silberberg等[11]使用光纤 传感器测量极低出生体质量婴儿气道压力。结果发 现，光纤传感器直接测量通风良好婴儿的方法是可行 的，结果是可靠的，且该结果可以推导肺功能的信息， 指导呼吸机管理。

　　2.5对心血管及血液压力的监测 Narendran等介绍了一种基于白光干涉的光纤压力传感器。将一个薄 膜的光楔干涉仪放置在输出端检测反射信号，这是一 个独特的膜片偏转，这种检测方案的几个关键特性， 包括低漂移、精度高、且对光损耗因子不敏感。 Reesink等指出光纤系统血液压力监测时具有可 靠性及高保真性。Woldbaek等将一种新的光纤 压力记录系统，即Samba用于记录离体老鼠的心血 管系统测量。Samba由一个薄的光纤（外直径为 0.25 mm)和硅芯充填的传感器组成，该传感器位于光 纤末端。传感器芯片上的膜可以随着压力的改变而发 生形变。该形变可以被光纤系统检测出来。实验发现 Samba传感器可以准确测量鼠左心室压力，且具有 稳定性高，不影响实验鼠的中心血液动力学变化等优 点。Myllyla等提出利用光纤传感器在磁共振扫描 时无创性监测血压。以动脉血压里脉搏波传播速度为 基础，该装置利用获得的结果来估计舒张压。脉冲传 播时间被放置于胸主动脉和颈动脉的两个光纤加速 器所测量。该加速器由两束抗静电的纤维和一个悬臂 梁组成，悬臂梁的自由端弯曲成90°，这样便可以作 为反射面。光纤纤维可以用作光源，并且可以接收反 射光。实验发现MR丨检查与非侵入性的光纤传感器 测压具有兼容性。

　　心包穿刺具有穿刺失败和穿孔的高风险。 Tucker-Schwartz等[16]使用了精密的光纤压力传感器和一个新的信号分析法，用于识别可允许的安全穿刺 进入心包腔的压力频率。实验表明，使用压力频率信 号识别心包穿刺的部位具有很高的功效，该结果可以 为心脏病专家提供心包压力频率信号，这样可以更安 全地行心包穿刺，并为某些心脏病患者提供重要的治疗方法。

　　2.6椎间盘压力测量椎间盘压力是描述脊柱负载条件的一种重要方法，了解椎间盘压力机制对于椎间盘 损伤和退化的病因学十分重要。Guehring等[17]将光 纤压力传感器用于测定椎间盘压力，该光纤传感器由 一个硅传感元件和附着的光纤纤维组成。通过测量兔 的腰椎压力，发现光纤压力传感器装置是一种评价椎 间盘压力的一种准确方法，且不会对椎间盘造成重大损伤。

　　Nesson等[18]将微型光纤压力传感器用于测量椎 间盘破裂时压力，传感器元件由一个隔膜结构作为压力传感器，当传感器元件被插到啮动物的尾巴里，在 外界压力下，隔膜产生形变，隔膜的偏向为压力改变 的一个函数，可以被光纤诊断系统检测出来。实验发 现，光纤传感器测出的椎间盘核压力与外在负载的压 力呈线性相关，且这种线性关系与之前测得人类和猪 椎间盘破裂时压力的结果一致。Dennison等[19]使用 光纤布拉格光栅测量腰椎间盘压力，所测得的数据与 之前使用其他类型传感器测得的压力一致，且与现有 的压力测量方法相比，使用光纤布拉格光栅测量压力 对脊柱生物机械学有很少的破坏性。

　　2.7分娩时子宫内压力测量孕妇分娩时子宫内压力是变化的，目前亟需一种简单可靠的方法用来测量分娩 活跃期子宫内压力变化。Svenningsen等[20]将光纤传 感器用于测量子宫内压力，光纤传感器由两端分开的光纤束组成，该光纤束末端由压力敏感的不锈钢膜组 成。光纤在圆锥体发光，其强度由光纤的物理性能决 定。大量孕妇分娩实验结果表明该光纤传感器测得的 压力与实际内压力高度一致性，且不会对胎儿有损害。

　　2.8结肠测压的应用便秘影响了 15%-27%的西方人群。结肠传播的压力波或者传播的顺序是肠腔 运动和排便的重要决定因素。结肠传播顺序的改变是结肠功能紊乱的重要标记[25-27]。Arkwright等使用光纤导管测量结肠压力，发现该传感器可以记录 类结肠的24h蠕动收缩，并能分析结肠复杂的运动模式。

　　2.9足底压力和剪切力测量糖尿病是一种影响成千上 百万人生活质量的一种疾病，糖尿病引起的下肢并发 症包括足底溃疡，该并发症可以导致感染或后来的截 肢。足底压力被认为与溃疡的发展有关[29-30]，Delbridge 等[31]提出剪切力是溃疡进展的一个重要的组成部分。 Wang等[32将光纤传感器用来测量足底压力和剪切力， 该传感器由被弹性衬垫分开的垂直于行和列的光纤纤 维组成，两束相邻垂直光纤维的物理形变引起强度衰 减以宏观弯曲形式表现出来，以该弯曲为基础，绘制 正常的和剪切压力图，实验结果发现该传感器可以用 来测量足底压力和剪切力，且重复性较好。

　　2.10食道曲张静脉压力监测食管静脉曲张出血是 肝硬化严重的和威胁生命的并发症之一。决定曲张静脉是否破裂出血的直接因素是血管壁张力。根据流体 学Laplace定律:血管壁张力=(血管内压-血管外压)x 血管口径/血管厚度，血管内压力是根本因素，血管 内压高，血管扩张而直径增大，管壁厚度随之变薄， 于是血管壁张力增大，当张力越过管壁弹性极限时血 管破裂而发生大出血[33]。研究发现，曲张静脉压力较 肝静脉压力梯度(HVPG)能更直接预测出血风险并判 断防治出血效果，因此测量食道曲张静脉压显得尤为 重要[34-35]。

　　血管穿刺测压是检测食道曲张静脉压“金标准”， 但有引起出血、感染的风险[36]。无创性测压方法是检 测技术发展的方向，但由于压力传感器受食管蠕动等 影响其稳定性，因此测压结果存在主观误差[37]。

　　近年来研究发现，光纤压力传感器具有传统压 力传感器所不可比的优点：灵敏度高、动态范围大、 响应速度快、稳定性高[1]，并已成功应用于许多领域， 如血管内血压、颅内压、心内压、膀胱和尿道压力 等检测已替代传统方法[38-39]。基于此，作者与江苏 久虹医疗器械有限公司合作，开发“光纤压力传感器 的食管曲张静脉测压系统”，该光纤压力传感器由光 接收器、光电转换、数模转换光源和电源管理等5 个模块组成，设计一个包括压力敏感探头(由加拿大 opsens solutions研制）、接收装置和数据处理终端 为一体的测量系统，将压力敏感探头过内窥镜的活 检通道置于探测部位，再将探头获取的压力应变光 信号通过光纤传导至接收装置，在接收装置中设置 光电转换模块和模/数(A/D)转换模块，依次将测量数 据调并转换为模拟电信号再转换为数字信号。选择 一款合适的掌上电脑(PDA)作为采样信号的处理终 端，通过数据接口与接收装置链接，分析报告并记 录存储测量数据。Kong等[40]研究发现该传导系统可 通过胃镜活检孔通道2 mm插入，性能测试可获得 稳定的压力曲线，但更大范围临床病例检测尚在进 一步研究中。与其他测压方法相比，该传感器准确 性高、体积小(可通过内镜活检通道)、安全性好、稳 定性好，测压技术适用于普通内镜医师掌握，但容 易受患者呼吸、咳嗽等影响导致传感器与曲张静脉 壁无法紧贴，造成压力曲线波动，为了获得稳定的 压力曲线，操作时应必须注意以下几点：检查前肌 注杜冷丁，山莨营碱，地西泮，以减少食管蠕动的 影响；操作时要固定好传感器，使传感器膜与食道 曲张静脉壁贴紧，待压力曲线稳定后记录压力值； 在食管蠕动期间，传感器膜可能脱离曲张静脉，此 时应该重新调零将传管器膜与曲张静脉血管壁贴紧后再进行压力测定。

　　3 　结论与展望

　　医用传感器在现代医疗设备中几乎无处不在，除 了以上介绍几个压力监测方面外，还可以测量人体内 各部位的压力如胃肠道、尿道等，在此就不详细列举。 随着信息时代的到来，传感器技术已成为信息社会的 重要技术基础，光纤传感器在医学中压力监测方面应 用越来越广泛，可以预见随着制作技术的成熟和器件性能的不断提高，不久的将来光纤传感器将会进一步 推动医学的快速发展。

　　
　　(作者：余芳芳王进广何兵兵吴艾久许建明孔德润)

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