解析医用光学传感器及其应用

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医用光学传感器是传感器中的重要成员。本文对光电倍增管、光纤和CCD这三种医学常用的新型光学传感器以及它们在医学诊断中的应用情况加以简要介绍。从它们的科学性和实用性可以表明医用光学传感器广阔的发展前景。
　　医用传感器是医学测量仪器的第一环节，是医学仪器与人体直接耦合关键的器件。可以说，它在从定性医学走向定量医学发展过程中起到了重要的作用。光学传感器是从物理传感器中发展起来的，而在其与医学相结合的应用方面更有待于进一步完善和推广。光学传感器是将光信号转换成电信号的器件，它的突出优点是：速度快、灵敏度高、结构简单以及由于具有很强的抗干扰能力而形成的高可靠性［1］。
　　1.光电倍增管
　　光电倍增管主要用于放射医学的测量仪器。它是根据光电效应原理制成的，属于外光电效应器件，其内部有一个易于发生光电效应的阴极、一个阳极和若干个中间电极（通常为7～11个，它们的电势一个比一个高约100V左右）。γ射线射到荧光体，且使其产生荧光，荧光通过光敏层、反射体等，收集发射到阴极上并能够打出一些光电子，其数量与光强度成正比。这些光电子经过中间电极的加速和逐级增加二次电子后，落到阳极上的二次电子比阴极发射的光电子增加了几百万倍，进而达到倍增的目的［2,3］。
　　在影像诊断中，需要测量引入人体内部某一位置的放射性同位素的γ射线。这一工作从前需用电云室、盖革计数器来完成，而当前多用光电倍增管和加在其前面的闪烁晶体（用铊活化的碘化钠晶体）连接起来，成为闪烁计数器，也称为γ射线计数器。当γ射线射到晶体碘化钠上，晶体受激后会发光。发出的光脉冲射到光电管的阴极上，从而在阳极上得到增加了105～106倍的输出脉冲电流。此电流经过放大、记录，用来反映入射γ射线的强度。目前使用这种闪烁计数器制成的射线探测仪器种类很多，例如吸碘功能仪、肾功能测定仪、扫描机及γ照相机等。
　　以光电管为核心组成的闪烁计数器主要用在探测γ和β射线，有时也用来探测β射线和中子。液体闪烁计数器主要用来探测很弱的低能β射线。当放射性同位素31H发出的β射线射到荧光液体中，有两个光电倍增管同时探测β射线，其效率更高。具体应用时只需把γ射线探测器放在生物体外的某一位置上，就可以测到由体内标记化合物发出的带有生物体某些信息的量，从而可根据射线量做出某种诊断。以吸碘功能仪为例，其结构框图如图1所示。甲状腺发出的射线经探头（闪烁计数器）变为电脉冲。脉冲放大后进入单道分析器，选择出射线能量相对应的电脉冲，最后作定时或定量显示。
　　另外，从体外探测放射性物质在体内情况的显像装置有γ扫描机和γ照相机两种。γ扫描机在一定时间内只探测体内一个小区域中发出的γ射线，用逐点、逐行扫描的方式来获取物质在体内某个部位分布的整个图像。γ照相机可同时探测到体内某个部位中各处发射的γ射线，且能区别出发射的位置，再通过积累γ射线的计数而得到放射性物质的分布图像。相比之下，γ照相机的灵敏度较高。
　　2.光纤传感器
　　光纤传感器在观察体内器官，传递形态学检查图像中起到重要作用。它一般是由光纤和光电器件组成。光纤是由纤维芯和覆盖层组成的。光纤的直径多为10～200μm，长度因用途而异。纤维芯的材料一般用多成分玻璃或塑料制成，而覆盖层用折射率低的玻璃或其它材料。为了将光从光纤的一端传到另一端，外部射入光线的入射角应满足全反射的基本条件。此外，还要避免光在一定的传播距离内，纤维芯的吸收、散射及弯曲处的辐射而造成能量被耗尽的情况。光在纤维芯中传播时损失多少，则与纤维成分和光波波长有关。下面以光纤体压计为例，简要介绍其装置及原理。
　　光纤体压计可以测量人体内各部位的压力，如膀胱、尿道和直肠等部位的压力，甚至颅内和心血管（尤其是动脉和心室）压力也可以用光纤体压计来测量。图2为一种医用光纤体压计探针结构图，其中对压力敏感的部分是在探针导管末端侧壁上的一块防水薄膜。一面带有悬臂的微型反射镜与薄膜相连。反射镜对面是一束光纤，用来传递入射光到反射镜，同时也将反射光传送出来。当薄膜上有压力作用时，薄膜发生形变且能带动悬臂使反射镜角度发生改变。从光纤传来的光束照射到反光镜上，再反射到光纤的端点。由于反射光的方向随反射镜角度的变化而改变，因此光纤接收到的反射光的强度也随之变化。这一变化通过光纤传到另一端的光电探测器变成电信号，这样通过电压的变化便可知探针处的压力大小。
　　医用光纤传感器种类还有很多，如光纤测氧计、光纤血流计、纤体温计和光纤医用PH计等。目前，它们的研究与应用正受到广泛的重视，种类也日趋繁多，功能和质量也不断完善，从而越来越显示出光纤传感技术在这一领域中应用的广阔前景。
　　3.CCD电荷耦合器件
　　CCD（ChargeCoupledDevice）的工作原理为：在N型、P型硅衬底的表面上，有一层SiO2绝缘层，在其上淀积一组排列整齐、相距很近的栅极。在栅极的作用下，半导体表面形成深耗尽状态。图像的光照射在半导体表面上，光子被吸收产生“光生电子”。该电子数正比于受光强度，从而实现了光电转换。输出脉冲的顺序可以反映出光敏元件的位置，这就起到图像传感的作用。如果希望对图像进行计算机处理，CCD是很好的摄像器件，可以将拍摄的图像信息精确的转换为数字信号。
　　CCD电荷耦合器件自70年代出现后，不断完善，发展很快，出现了很多的CCD芯片。它们突出的优点是工作稳定、重量轻、功耗低、抗干扰性强、寿命长，主要被应用于各种摄像设备中［7］。由于CCD体积小，因此在内窥镜中和介入型治疗仪器中，作为摄像部件可直接放入人体内摄取信号，再将传出的信号由屏幕显示出来，方便操作者直接看到病人体内的图像，使形态性病变的诊断和定位变得非常清楚、可靠。
　　4.医用光学传感器的发展方向
　　由于半导体技术已进入了超大规模集成化阶段，对医用光学传感器的各种制造工艺和材料性能的研究已达到相当高的水平。因此可以预测它正向着传感器的固态化、集成化和多功能化、二维、三维的空间测量和智能化方向发展。我们可以想象将来有一天，人们可以利用光纤和先进的半导体激光器件开发出多信息超小型传感器阵列，再利用多种信息同时测量技术，通过导管探针可以从心脏里同时获得测量有关心功能的多种信息。
　　作者简介：王晨光（1966年生），男，哈尔滨医科大学物理教研室讲师，从事医用传感器设备开发与临床应用研究.
参考文献：
　　［1］姜远海，等.医用传感器［M］.北京：科学出版社，1997.1.
　　［2］刘骥，等.医用电子学［M］.北京：人民卫生出版社，1983,292-293.
　　［3］魏崇卿.医用电子学简明教程［M］.北京：北医大,协和联合出版社，1994,198.
　　［4］胡国虎.医学电子学［M］.重庆：重庆大学出版社，1989.171-173.
　　［5］王化祥，等.传感器原理及应用［M］.天津：天津大学出版社，1988,5-6;325-327.
　　［6］张国顺，等.光纤传感技术［M］.北京：水利水电出版社，1988,362-373.
　　［7］王信义.机电一体化技术手册(上册)［M］.北京：机械工业出版社,1996,5-65.
　　［8］王洪业.传感器技术［M］.长沙：湖南科学技术出版社，1985,250-251.