Датчики на основе оптического волокна, как и оптическое волокно в целом, благодаря своим физическим свойствам чрезвычайно привлекательны для биомедицинского применения. Причём диапазон способов этого применения чрезвычайно широк: начиная с доставки света и визуализации и заканчивая различными формами диагностики и роботизированной хирургией.
Оптические волокна получили признание со стороны биомедицинского сообщества задолго до того, как нашли применение в сфере дальних телекоммуникаций [1]. Целью ранних исследований световодных свойств волокон в конце 20-х годов ХХ века была медицинская визуализация. Первый волоконный световод с покрытием протянул 8 декабря 1956 года в Мичиганском университете (University of Michigan) Ларри Кёртис (Larry Curtis) (Рисунок 1), аспирант Бэзила Хиршовица (Basil Hirschowitz). Эта технология была использована в многоволоконном жгуте для волоконного эндоскопа, который Хиршовиц впервые протестировал на себе [2].
Оптические волокна привлекательны для различных форм биомедицинского применения, поскольку они тонкие, гибкие, диэлектрические (непроводящие), невосприимчивые к электромагнитным помехам, химически инертные, нетоксичные и лёгкие. Кроме того, их можно стерилизовать с помощью пара, излучения или сухого газа, т. е. используя стандартные методы медицинской стерилизации.
Их применение в медицине с момента появления первого эндоскопа значительно расширилось: от визуализации и анализа биологических функций до обеспечения стремительного прогресса в новых медицинских процедурах, таких как минимально инвазивная и роботизированная хирургия (Таблица 1).
Таблица 1. Направления развития медицинской промышленности, способствующие растущему применению оптического волокна
| Направление развития | Требование |
|---|---|
| Минимально инвазивная хирургия | Одноразовые зонды и катетеры |
| Автоматизация и роботизация | Катетеры с измерительной аппаратурой |
| MРТ-, КT- и ПЭT-визуализация; абляционные методы лечения, использующие радиочастоты и микроволновую радиацию | Волоконные датчики |
| Растущее применение лазеров | Девайсы с волоконной активной средой |
| Оптическая визуализация и сканирование | Волоконные ОКТ-зонды |
Волоконно-оптические датчики в биомедицинских приложениях комплектуются ограниченным числом обычных электронных устройств. Их основным преимуществом является электрическая изоляция, которую обеспечивают диэлектрические оптические волокна, позволяющие обезопасить пациента от поражения электрическим током. Кроме того, волоконно-оптические датчики можно безопасно использовать при МРТ, компьютерной томографии и любом другом электромагнитном сканировании, не подвергая пациента риску возникновения электрического тока или выделения большого количества тепла сильными магнитными полями. Небольшой размер датчиков, позволяющий интегрировать их в маленькие иглы, катетеры и хирургические инструменты, является ещё одним существенным преимуществом.
Все эти факторы делают волоконно-оптические датчики идеально подходящими для широкого спектра инвазивных и неинвазивных применений в медицинских науках, клинических исследованиях, при медицинском мониторинге и диагностике. Как показано в Таблице 2, биомедицинские оптические датчики можно разделить на четыре основных типа: физические, химические, биологические и визуализирующие.
Таблица 2. Классификация биомедицинских волоконно-оптических датчиков
| Физические | Химические | Биологические | Визуализирующие |
|---|---|---|---|
| Тело | pH | Антигены | Эндоскопия |
| Температура | pO2 | Антитела | Оптическая когерентная томография (ОКТ) |
| Давление in vivo | pCO2 | Электролиты | Оптико-акустическая томография (ОАТ) |
| Кровоток | Оксиметрия (SaO2, SvO2) | Ферменты | Конфокальная микроскопия |
| Частота сердцебиений | Глюкоза | Ингибиторы | |
| Сила | Жёлчь | Метаболиты | |
| Позиция | Липиды | Белки | |
| Дыхание | |||
| Определение формы |
Оптические волокна для визуализации
Визуализирующие датчики включают в себя как эндоскопические устройства для внутреннего наблюдения и визуализации, так и более продвинутые технологии, такие как оптическая когерентная томография (ОКТ), фотоакустическая визуализация и другие, где внутреннее сканирование и визуализация могут осуществляться неинтрузивно.
Эндоскопическая визуализация остаётся наиболее эффективной формой биомедицинского применения волоконной оптики.
Оптические волокна можно также использовать для передачи света в интересующие области ткани: либо для освещения с целью осмотра, либо для непосредственного разрезания или удаления ткани (с помощью более мощного лазера). В результате волокна находят широкое применение в качестве зондов для доставки лазерного излучения, а также, когда требуется разного рода подсветка, в качестве каналов визуализации — как отдельных, так и тех, что встраиваются в медицинские инструменты, такие как отоскопы и ларингоскопы.
Волокна используются и в качестве сканирующих зондов в передовых формах визуализации, таких как ОКТ и конфокальная микроскопия. А сплавленные вместе в виде пластин или конусов, они используются в качестве световодных компонентов в цифровых рентгеновских приборах для направления световых образов от сцинтиллятора к электронной матрице ПЗС-детекторов.
Физиологические измерения
Физические датчики используются для измерения широкого спектра физиологических параметров, таких как температура тела, кровяное давление, дыхание, частота сердечных сокращений, кровоток, смещение мышц и мозговая активность.
Биомедицинские датчики, использующие интерферометры Фабри—Перо (Fabry—Pérot) с внешним резонатором, волоконные брэгговские решётки и волоконные спектрометры, в основе работы которых лежат поглощение света и флуоресценция, относятся к числу волоконно-оптических датчиков, наиболее часто используемых в коммерческих продуктах, причём наиболее популярными параметрами являются температура и давление. Уникально малые размеры волоконно-оптических датчиков можно наглядно оценить на примере датчиков давления и температуры Фабри — Перо, показанных на Рисунке 2.
Некоторые из самых ранних волоконно-оптических физических датчиков были созданы в начале 80-х годов ХХ века такими компаниями-первопроходцами, как Camino Laboratories, FISO Technologies (ныне часть Resonetics) и Luxtron (ныне часть Advanced Energy). В 1984 году компания Camino представила датчик внутричерепного давления, функционировавший на основе волоконно-оптического устройства с модуляцией интенсивности, использовавшего в качестве преобразователя миниатюрный [TBS_POPOVER placement=»top» title=»Сильфон» content=»(от англ. фирменного названия Sylphon) — упругая однослойная или многослойная гофрированная оболочка из металлических, неметаллических и композиционных материалов, сохраняющая прочность и герметичность при многоцикловых деформациях сжатия, растяжения, изгиба и их комбинаций под воздействием внутреннего или внешнего давления, температуры и механических напряжений. Сильфоны часто служат чувствительными элементами различных датчиков. Например, воспринимающими разность давлений газов или жидкостей, изменение температуры среды.» style=»border: 1px solid #ddd; padding: 3px;»]сильфон[/TBS_POPOVER]. Канадская компания FISO поставляет медицинские волоконно-оптические датчики давления и температуры OEM-производителей. Основу этих датчиков составляют интерферометры Фабри—Перо с внешним резонатором, осуществляющие измерения с помощью интерферометрии белого света. OpSens и Neoptix (Канада) и RJC Enterprises (США) — тоже давние разработчики и OEM-производители волоконно-оптических датчиков температуры и давления.
Химический и биологический анализ
Химические датчики используют флуоресцентные, спектроскопические и индикаторные методы для измерения и идентификации присутствия химических соединений и метаболических переменных, таких как рН, кислород крови и глюкоза. Эти датчики обнаруживают определённые химические соединения в диагностических целях и отслеживают химические реакции и активность организма для диагностических и терапевтических целей.
Биологические сенсоры, как правило, более сложны: для идентификации и количественного определения конкретных биохимических молекул, представляющих интерес, они используют реакции биологического распознавания, такие как фермент—субстрат, антиген—антитело или лиганд—рецептор. Одной из перспективных реализаций такого рода датчиков является так называемая «лаборатория-на-волокне» [3], где волоконно-оптические покрытия сочетаются с микро- и наноразмерными функционализированными материалами, которые реагируют на специфические физические, химические или биологические внешние воздействия, создавая многофункциональные многопараметрические чувствительные устройства (Рисунок 3). Свет дистанционно возбуждает эти функционализированные материалы, встроенные в покрытие волокна. Эти материалы, в свою очередь, реагируют на определённые биологические образцы или химические вещества (анализируемые вещества) и индуцируют изменение оптического сигнала, пропорциональное концентрации анализируемого вещества.
Биомедицинские (волоконно-оптические или иные) датчики вынуждают преодолевать ряд уникальных проблем [4]. Датчики должны быть безопасными, надёжными, высокостабильными, биосовместимыми, поддающимися стерилизации и автоклавированию и не подверженными биологическому отторжению. И они не должны требовать калибровки или, по крайней мере, должны сохранять результаты калибровки в течение длительного времени. Критически важна упаковка датчиков. Весьма желательно, чтобы они имели малый размер, — особенно тогда, когда предназначены для имплантации или постоянного использования.
Датчики помогают направлять хирургическое вмешательство
Разработки в области малоинвазивной хирургии и дистанционной роботизированной хирургии расширили рынок медицинских датчиков, добавив к требованиям режиму зондирования требования, относящиеся к точному позиционированию и передаче усилия.
В малоинвазивной хирургии врачи избегают вскрытия тканей пациентов и вместо этого выполняют небольшие разрезы, через которые вводятся различные хирургические инструменты и катетеры. Для дистанционной роботизированной хирургии хирургические катетеры должны быть оснащены датчиками, которые обеспечивают для хирурга, управляющего роботом, как трёхмерную информацию о позиции, так и силовую (тактильную) обратную связь.
Волоконно-оптические датчики идеально подходят для этого применения, поскольку их можно легко интегрировать в тонкие роботизированные катетеры, а благодаря использованию многоядерных волокон, встроенных в массивы волоконных тензодатчиков с брэгговской решёткой, можно выполнять in situ и в режиме реального времени трёхмерный контроль за формой и позицией. Когда волокна изгибаются, скручиваются и вращаются, волоконные брэгговские решётки обнаруживают возникающие в волокнах деформации. Специализированные алгоритмы обрабатывают эти данные, чтобы обеспечить обратную кинетику пространственного положения в режиме реального времени.
Одна из систем, применяющих такого рода технологии, — Philips Healthcare Fiber Optic RealShape (FORS). Активно разрабатывают биомедицинские волоконно-оптические сенсорные устройства данного типа и другие компании, такие как FBGS (Бельгия), PhotonFirst (Нидерланды), Intuitive Surgical (США) и Fibercore (Великобритания).
Ещё одно нововведение, имеющее отношение к вышеописанным технологиям, — использование волоконных решёток Брэгга или элементов Фабри—Перо в качестве устройств, чувствительных к усилию. Функциональность многих систем доставки лекарств, терапевтических систем и медицинских устройств зависит от изменения силы. Датчики силы могут измерять её изменения и передавать эту информацию врачу и/или пациенту для корректировки. Волоконно-оптические датчики силы, такие как абляционный зонд Abbott TactiCath, доступны для устройств радиочастотной или лазерной абляции при лечении фибрилляции предсердий.
Продвигаясь в том же направлении, компания Often Medical (Италия) разработала набор для эпидуральной анестезии, основу которого составляет датчик силы с волоконной решёткой Брэгга. Эта система позволяет в режиме реального времени контролировать установку эпидурального катетера и обеспечивает управление движением иглы до тех пор, пока она не достигнет эпидурального пространства, где встроенный волоконный датчик проверяет правильность установки катетера.
Тенденции и коммерческие перспективы
Оптические волокна — и фотоника в целом — представляют собой набор очень мощных и универсальных технологий, позволяющих создавать медицинские устройства, контрольно-измерительные приборы и методы диагностической, терапевтической и хирургической деятельности. С ростом населения, которое нуждается в медицинской помощи с применением сложных диагностических инструментов, врачи всего мира всё больше используют передовые биомедицинские приборы и датчики как необходимые и эффективные инструменты для диагностики, мониторинга, лечения и ухода за пациентами.
В тренде разработка всё более маленьких и тонких медицинских зондов и катетеров, а также распространение лазерных методов лечения, требующих волоконно-оптических систем доставки. ОКТ также норовит превратиться в обычный метод медицинского исследования, столь же распространённый, как и ультразвуковое сканирование.
В эндоскопии продолжится развитие, ведущее к появлению меньших по размеру и более сложных устройств, сочетающих в себе помимо стандартного освещения и визуализации более продвинутые функции — такие, как прямой анализ тканей и лазерное лечение. Будут развиваться и методы оптической визуализации, а цифровые рентгеновские лучи сделают неинвазивное обследование и диагностику более безопасными и быстрыми благодаря большему разрешению и большей точности.
Биомедицинский рынок предоставляет простор для получения прибыли и растущие возможности для реализации волоконно-оптических датчиков, особенно — больших объёмов одноразовых зондов. Кроме того, существует несомненная возможность использовать волоконно-оптические датчики в качестве датчиков, совместимых с электромагнитными помехами, чтобы мониторить жизненно важные свойства пациентов во время использования МРТ (и связанных с ней методов), а также радиочастотного лечения, такого как абляция фибрилляции предсердий. По мере снижения затрат на производство и разработки новых методов зондирования количество и разнообразие биомедицинских волоконно-оптических датчиков будут расти.
Литература
1. A. Katzir (1990). Selected Papers on Optical Fibers in Medicine. SPIE Milestone Series, Vol. MS 11. SPIE Press.
2. B. Hirschowitz (1979). A personal history of the fiberscope. Gastroenterology, Vol. 76, No. 4, pp. 864—869.
3. A. Cusano et al., eds. (2015). Lab-on-Fiber Technology. Springer Verlag.
4. É. Pinet and C. Hamel (2007). True challenges of disposable optical fiber sensors for clinical environment. Presented at the Third European Workshop on Optical Fibre Sensors. Proc SPIE, Vol. 6619.