醫(yī)療包裹式探針的“l(fā)ab-in-fiber”同時測量壓力和折射率。

測量體內(nèi)壓力和組織液折射率

“雙光纖”傳感器

從提供連續(xù)血氧監(jiān)測的指尖脈搏血氧儀（fingertip pulse oximeters）到為微創(chuàng)手術(shù)（laparoscopic imagers）提供可視化的腹腔鏡成像儀，小型、功能強大的傳感器（minimally invasive surgery）改善了醫(yī)療保健。西班牙研究人員開發(fā)出一種超短光纖實驗室 (ab-in-fiber，LIF) 傳感器，旨在同時測量壓應(yīng)力和折射率。

新設(shè)備被設(shè)計成套在直徑為 400 微米的標準手術(shù)針中（sheathed in a standard 400-μm-diameter surgical needle），壓應(yīng)力傳感器檢測與目標組織的接觸。同時，傳感器檢測折射率，來表征局部環(huán)境的相關(guān)信息。測量可以與其他設(shè)備同步進行，緊湊的尺寸和同步性提供了獨特、快速和微創(chuàng)的功能。

小? 而? 精

芯片實驗室設(shè)備（lab-on-chip）的功能逐步的擴展到 LIF 設(shè)計，光纖其固有的光傳輸?shù)哪芰υ偌由蠙z測功能的集成，使得光纖很有優(yōu)勢?？菜祭飦喆髮W（Santander, Spain，西班牙桑坦德）的 Pablo Roldán-Varona 教授和他的同事研究了以前的 LIF ，發(fā)現(xiàn)它們 4 到 5 毫米的長度太長，無法用作高可靠性的生物醫(yī)學傳感器。他們著手設(shè)計了一個更短的傳感器，在 300 μm 長的 125 μm 光纖中集成了法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot cavity)和布拉格光柵（Bragg grating）。法布里-珀羅腔是一個插入光纖中的“氣泡”，布拉格光柵的折射率周期性變化。

氣泡是用飛秒激光在光纖端面上刻出一個凹痕（inscribes an indentation）形成的，然后將其拼接到光纖的切割面上。初始壓痕和熔接電流的持續(xù)時間和大小決定了氣泡尺寸。在使用中，寬帶光源照亮氣泡，該光源詢問由兩個相對的光纖面產(chǎn)生的法布里-珀羅腔的自由光譜范圍 (free spectral range，F(xiàn)SR)。

較大的氣泡對壓縮引起的腔長變化更敏感（more sensitive to compression-induced changes in cavity length），但也會導(dǎo)致兩個纖芯之間的耦合性能降低。模擬結(jié)果顯示，可以接受大約 70 μm 的直徑。研究人員確定好制造參數(shù)，使他們能夠重復(fù)地制造出直徑誤差約 5% 的 70 微米氣泡。

光纖光柵也是用飛秒激光脈沖制造的，在 1.61 μm 的空間周期內(nèi)產(chǎn)生大約 1 μJ 的折射率變化，引起大約 0.005 的折射率變化。為確保光柵和腔測量保持可分離（grating and cavity measurements remain separable），光柵從腔外 18 μm 開始，并延伸至光纖末端 200 μm。光纖末端逐漸變細，直徑為 75 μm，這增加了光纖與周圍介質(zhì)之間的相互作用，同時仍保持一定程度的可靠性。周圍介質(zhì)的折射率改變了光柵的有效折射率，改變了布拉格反射的波長。

制造的最后一步是將光纖系統(tǒng)粘合在手術(shù)針內(nèi)，只有最后 200 μm 超出針的邊緣。Roldán-Varona 的團隊對光傳播進行了模擬，以確定最佳指標。

雙? 重? 功? 能

為了驗證性能，1300-1600 nm 寬帶耦合到光纖，并使用光譜分析儀檢測反射。研究人員調(diào)整了不同程度的軸向應(yīng)變，并將光纖浸入不同濃度的糖水（sugar water of various concentrations）中。FSR 測量提供6.7 pm 的應(yīng)變靈敏度（每 10-6 次應(yīng)變變化 ）。與組織的接觸會導(dǎo)致應(yīng)變變化大 200-400 倍，使之易于檢測。光柵反射率也會隨著應(yīng)變而變化，但可以通過 FSR 的獨立測量進行校正。在 1.33 到 1.35 的生理相關(guān)范圍內(nèi)（around the index of water），每個折射率單位的反射率偏移為 11.5 nm。

Roldán-Varona 的團隊正在評估其他設(shè)計方法，例如將腔體放置在光柵的下游并插入通孔以注入周圍的介質(zhì)（infusing the surrounding medium）?！拔覀兊脑O(shè)備代表了臨床程序的進步，”他說，“因為它允許將針頭自動插入所需的組織，但與絕大多數(shù)傳感器不同的是，它的最大優(yōu)勢在于它可以反射檢測，所以它是微創(chuàng)的?！?他還指出，與手術(shù)針的集成“允許在醫(yī)療環(huán)境中利用光纖的優(yōu)勢——小尺寸和抗電干擾能力（small size and immunity to electrical interference）?！?例如，傳感器可以指示針何時進入器官（如肝臟），然后測量因異常情況引起的指數(shù)變化。

審核編輯：劉清