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2011-03-06 22:36 |
醫(yī)用光學(xué)傳感器的應(yīng)用
摘要：醫(yī)用光學(xué)傳感器是傳感器中的重要成員。本文對(duì)光電倍增管、光纖和CCD這三種醫(yī)學(xué)常用的新型光學(xué)傳感器以及它們?cè)卺t(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用情況加以簡(jiǎn)要介紹。從它們的科學(xué)性和實(shí)用性可以表明醫(yī)用光學(xué)傳感器廣闊的發(fā)展前景。 $qE JO=v
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引言：醫(yī)用傳感器是醫(yī)學(xué)測(cè)量?jī)x器的第一環(huán)節(jié)，是醫(yī)學(xué)儀器與人體直接耦合關(guān)鍵的器件。可以說，它在從定性醫(yī)學(xué)走向定量醫(yī)學(xué)發(fā)展過程中起到了重要的作用。光學(xué)傳感器是從物理傳感器中發(fā)展起來(lái)的，而在其與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的應(yīng)用方面更有待于進(jìn)一步完善和推廣。光學(xué)傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，它的突出優(yōu)點(diǎn)是：速度快、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及由于具有很強(qiáng)的抗干擾能力而形成的高可靠性［1］。 '%~zu]f'
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1.光電倍增管 My1E@<
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光電倍增管主要用于放射醫(yī)學(xué)的測(cè)量?jī)x器。它是根據(jù)光電效應(yīng)原理制成的，屬于外光電效應(yīng)器件，其內(nèi)部有一個(gè)易于發(fā)生光電效應(yīng)的陰極、一個(gè)陽(yáng)極和若干個(gè)中間電極（通常為7～11個(gè)，它們的電勢(shì)一個(gè)比一個(gè)高約100 V左右）。γ射線射到熒光體，且使其產(chǎn)生熒光，熒光通過光敏層、反射體等，收集發(fā)射到陰極上并能夠打出一些光電子，其數(shù)量與光強(qiáng)度成正比。這些光電子經(jīng)過中間電極的加速和逐級(jí)增加二次電子后，落到陽(yáng)極上的二次電子比陰極發(fā)射的光電子增加了幾百萬(wàn)倍，進(jìn)而達(dá)到倍增的目的［2,3］。 aY?}4Bx
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在影像診斷中，需要測(cè)量引入人體內(nèi)部某一位置的放射性同位素的γ射線。這一工作從前需用電云室、蓋革計(jì)數(shù)器來(lái)完成，而當(dāng)前多用光電倍增管和加在其前面的閃爍晶體（用鉈活化的碘化鈉晶體）連接起來(lái)，成為閃爍計(jì)數(shù)器，也稱為γ射線計(jì)數(shù)器。當(dāng)γ射線射到晶體碘化鈉上，晶體受激后會(huì)發(fā)光。發(fā)出的光脈沖射到光電管的陰極上，從而在陽(yáng)極上得到增加了105～106倍的輸出脈沖電流。此電流經(jīng)過放大、記錄，用來(lái)反映入射γ射線的強(qiáng)度。目前使用這種閃爍計(jì)數(shù)器制成的射線探測(cè)儀器種類很多，例如吸碘功能儀、腎功能測(cè)定儀、掃描機(jī)及γ照相機(jī)等。 |zUDu\MZ{
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以光電管為核心組成的閃爍計(jì)數(shù)器主要用在探測(cè)γ和β射線，有時(shí)也用來(lái)探測(cè)β射線和中子。液體閃爍計(jì)數(shù)器主要用來(lái)探測(cè)很弱的低能β射線。當(dāng)放射性同位素31H發(fā)出的β射線射到熒光液體中，有兩個(gè)光電倍增管同時(shí)探測(cè)β射線，其效率更高。具體應(yīng)用時(shí)只需把γ射線探測(cè)器放在生物體外的某一位置上，就可以測(cè)到由體內(nèi)標(biāo)記化合物發(fā)出的帶有生物體某些信息的量，從而可根據(jù)射線量做出某種診斷。以吸碘功能儀為例，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。甲狀腺發(fā)出的射線經(jīng)探頭（閃爍計(jì)數(shù)器）變?yōu)殡娒}沖。脈沖放大后進(jìn)入單道分析器，選擇出射線能量相對(duì)應(yīng)的電脈沖，最后作定時(shí)或定量顯示［4］。 Wx-{F
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另外，從體外探測(cè)放射性物質(zhì)在體內(nèi)情況的顯像裝置有γ掃描機(jī)和γ照相機(jī)兩種。γ掃描機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)只探測(cè)體內(nèi)一個(gè)小區(qū)域中發(fā)出的γ射線，用逐點(diǎn)、逐行掃描的方式來(lái)獲取物質(zhì)在體內(nèi)某個(gè)部位分布的整個(gè)圖像。γ照相機(jī)可同時(shí)探測(cè)到體內(nèi)某個(gè)部位中各處發(fā)射的γ射線，且能區(qū)別出發(fā)射的位置，再通過積累γ射線的計(jì)數(shù)而得到放射性物質(zhì)的分布圖像。相比之下，γ照相機(jī)的靈敏度較高。 ~/Ry=8
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2.光纖傳感器 jjbw.n+1
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光纖傳感器在觀察體內(nèi)器官，傳遞形態(tài)學(xué)檢查圖像中起到重要作用。它一般是由光纖和光電器件組成。光纖是由纖維芯和覆蓋層組成的。光纖的直徑多為10～200 μm，長(zhǎng)度因用途而異。纖維芯的材料一般用多成分玻璃或塑料制成，而覆蓋層用折射率低的玻璃或其它材料。為了將光從光纖的一端傳到另一端，外部射入光線的入射角應(yīng)滿足全反射的基本條件。此外，還要避免光在一定的傳播距離內(nèi)，纖維芯的吸收、散射及彎曲處的輻射而造成能量被耗盡的情況。光在纖維芯中傳播時(shí)損失多少，則與纖維成分和光波波長(zhǎng)有關(guān)［5］。 C1nQZtF R
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下面以光纖體壓計(jì)為例，簡(jiǎn)要介紹其裝置及原理。 2 n7[Op
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光纖體壓計(jì)可以測(cè)量人體內(nèi)各部位的壓力，如膀胱、尿道和直腸等部位的壓力 ，甚至顱內(nèi)和心血管（尤其是動(dòng)脈和心室）壓力也可以用光纖體壓計(jì)來(lái)測(cè)量。 圖2為一種醫(yī)用光纖體壓計(jì)探針結(jié)構(gòu)圖，其中對(duì)壓力敏感的部分是在探針導(dǎo)管末端側(cè)壁上的一塊防水薄膜。一面帶有懸臂的微型反射鏡與薄膜相連。反射鏡 對(duì)面是一束光纖，用來(lái)傳遞入射光到反射鏡，同時(shí)也將反射光傳送出來(lái)。當(dāng)薄膜上有壓力作用時(shí)，薄膜發(fā)生形變且能帶動(dòng)懸臂使反射鏡角度發(fā)生改變。從光纖傳來(lái)的光束照射到反光鏡上，再反射到光纖的端點(diǎn)。由于反射光的方向隨反射鏡角度的變化而改變，因此光纖接收到的反射光的強(qiáng)度也隨之變化。這一變化通過光纖傳到另一端的光電探測(cè)器變成電信號(hào)，這樣通過電壓的變化便可知探針處的壓力大�。�6］。 '- ~86Q
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醫(yī)用光纖傳感器種類還有很多，如光纖測(cè)氧計(jì)、光纖血流計(jì)、纖體溫計(jì)和光纖醫(yī)用PH計(jì)等。目前，它們的研究與應(yīng)用正受到廣泛的重視，種類也日趨繁多，功能和質(zhì)量也不斷完善，從而越來(lái)越顯示出光纖傳感技術(shù)在這一領(lǐng)域中應(yīng)用的廣闊前景。 !6}Cs3.
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3.CCD電荷耦合器件 :V"}"{ (6
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CCD（Charge Coupled Device）的工作原理為：在N型、P型硅襯底的表面上，有一層SiO2絕緣層，在其上淀積一組排列整齊、相距很近的柵極。在柵極的作用下，半導(dǎo)體表面形成深耗盡狀態(tài)。圖像的光照射在半導(dǎo)體表面上，光子被吸收產(chǎn)生“光生電子”。該電子數(shù)正比于受光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。輸出脈沖的順序可以反映出光敏元件的位置，這就起到圖像傳感的作用。如果希望對(duì)圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，CCD是很好的攝像器件，可以將拍攝的圖像信息精確的轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 Ga h e-%J
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CCD電荷耦合器件自70年代出現(xiàn)后，不斷完善，發(fā)展很快，出現(xiàn)了很多的CCD芯片。它們突出的優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定、重量輕、功耗低、抗干擾性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)，主要被應(yīng)用于各種攝像設(shè)備中［7］。由于CCD體積小，因此在內(nèi)窺鏡中和介入型治療儀器中，作為攝像部件可直接放入人體內(nèi)攝取信號(hào)，再將傳出的信號(hào)由屏幕顯示出來(lái)，方便操作者直接看到病人體內(nèi)的圖像，使形態(tài)性病變的診斷和定位變得非常清楚、可靠。 - Z|1@s&
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4.醫(yī)用光學(xué)傳感器的發(fā)展方向 JxWHrs h[
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由于半導(dǎo)體技術(shù)已進(jìn)入了超大規(guī)模集成化階段，對(duì)醫(yī)用光學(xué)傳感器的各種制造工藝和材料性能的研究已達(dá)到相當(dāng)高的水平。因此可以預(yù)測(cè)它正向著傳感器的固態(tài)化、集成化和多功能化、二維、三維的空間測(cè)量和智能化方向發(fā)展。我們可以想象將來(lái)有一天，人們可以利用光纖和先進(jìn)的半導(dǎo)體激光器件開發(fā)出多信息超小型傳感器陣列，再利用多種信息同時(shí)測(cè)量技術(shù)，通過導(dǎo)管探針可以從心臟里同時(shí)獲得測(cè)量有關(guān)心功能的多種信息。 %NBD^g F
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作者簡(jiǎn)介：王晨光（1966年生），男，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)物理教研室講師，從事醫(yī)用傳感器設(shè)備開發(fā)與臨床應(yīng)用研究. +Q '|->#
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參考文獻(xiàn)： M
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