溫度補(bǔ)償型高精度醫(yī)用光纖壓力傳感器用于測(cè)量消化道內(nèi)曲張靜脈壓力研究

宋大偉

（黑龍江省醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，黑龍江 哈爾濱 150036）

有文獻(xiàn)提出肝硬化門(mén)脈高壓癥患者在消化道內(nèi)出現(xiàn)靜脈曲張后破裂的風(fēng)險(xiǎn)很高，可達(dá)25%～35%，尤其是上消化道食管至胃部血管破裂的風(fēng)險(xiǎn)更大，有30%以上的人破裂后出血是致命的，最危險(xiǎn)的是這種破裂出血有70%的人是反復(fù)發(fā)生的。有效降低肝硬化死亡率的最直接辦法就是控制消化道曲張靜脈破裂，但目前為止還沒(méi)有一種有效的、可靠的能夠預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)曲張靜脈破裂臨界壓力的方法。醫(yī)療工作者在實(shí)踐中總結(jié)出了一些方法，包括兩大類，有創(chuàng)測(cè)量和無(wú)創(chuàng)測(cè)量，有創(chuàng)測(cè)量數(shù)值準(zhǔn)確，但在目前沒(méi)有有效的安全保障措施，因?yàn)榍鷱堨o脈血管壁脆弱，介入測(cè)量進(jìn)入到血管內(nèi)如果方法不適當(dāng)會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。目前無(wú)創(chuàng)測(cè)量血管壓力按種類分主要有電子應(yīng)力探頭測(cè)壓法、氣囊傳導(dǎo)測(cè)壓法、內(nèi)鏡超聲系統(tǒng)引導(dǎo)法、計(jì)算機(jī)視覺(jué)法、內(nèi)鏡空氣注入法等。這些工作原理的實(shí)質(zhì)都是血管被壓扁時(shí)，血管壁內(nèi)外壓力達(dá)到一個(gè)短時(shí)內(nèi)的平衡，通過(guò)壓力傳導(dǎo)到探測(cè)器讀取出壓力值，并以此來(lái)判定曲張血管的危險(xiǎn)程度。以上測(cè)量方法需要操作者本人對(duì)血管按壓，需要主觀判斷使用的力量是否能夠達(dá)到壓扁血管的要求，這就存在了個(gè)人差異，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。同時(shí)對(duì)此類傳感器使用的大小、空間要求比較苛刻，要求醫(yī)療工作者做到這些困難的非醫(yī)學(xué)檢查手段難度大，后續(xù)工作開(kāi)展有一定困難。光纖技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，發(fā)展迅猛，傳感器應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，憑借著天然抗擾、無(wú)毒的優(yōu)勢(shì)，醫(yī)療領(lǐng)域也迅速推廣應(yīng)用，諸如臨床檢驗(yàn)、內(nèi)窺鏡、測(cè)溫、測(cè)壓，在醫(yī)療測(cè)壓領(lǐng)域中能用來(lái)測(cè)血管內(nèi)血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓、膀胱壓和尿道壓。

本文嘗試著提出了一款新穎的帶溫度補(bǔ)償?shù)尼t(yī)用光纖壓力傳感器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量消化道內(nèi)曲張靜脈壓力的一種新方法，通過(guò)體外模型驗(yàn)證其測(cè)壓的準(zhǔn)確性。

1 溫度補(bǔ)償型光纖壓力傳感器原理與設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代技術(shù)中測(cè)量曲張靜脈壓力的方法中一般采用觸碰式測(cè)量，這種測(cè)量方式具有無(wú)創(chuàng)、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，介入式測(cè)量法雖然更加直接準(zhǔn)確，但是穿刺介入傳感器對(duì)患者存在相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)性，所以操作者很少采用。以血管為研究對(duì)象，在理想的條件下，我們認(rèn)為血管是一個(gè)壓力容器，容器中液體均勻分布，所以在容器壁各個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力相同，血管在受到壓迫時(shí)，由于血管壁的韌性度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于血管內(nèi)的壓力，所以可以不考慮血管壁對(duì)血壓值測(cè)量的影響。在光纖傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，傳感器的信號(hào)往往是外界環(huán)境中各種因素影響的綜合結(jié)果，因此，設(shè)計(jì)多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的光纖傳感器更有意義。我們?cè)O(shè)計(jì)的核心光纖傳感單元是一種單模-多模光柵-單模結(jié)構(gòu)，是一種多參數(shù)傳感器，可以同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)力。具體結(jié)構(gòu)是在兩段單模光纖中間熔接一段多模光纖，并在多模光纖上寫(xiě)入光柵。

當(dāng)光從單模光纖進(jìn)入到多模光纖時(shí)，光場(chǎng)能量會(huì)從單模光纖中的單一模式向多模光纖中的多個(gè)模式分配。由于存在多個(gè)模式，且光從多模光纖再次耦合回單模光纖后，各個(gè)模式之間會(huì)相互干涉形成干涉圖譜，當(dāng)傳感器受到外力時(shí)，多模光纖部分L會(huì)發(fā)生改變，利用此種特性研制出了可以測(cè)量壓力的傳感器。但此種結(jié)構(gòu)的壓力傳感器還是不可避免的要面對(duì)交叉敏感問(wèn)題，那就是當(dāng)傳感器受到溫度影響的時(shí)候，L也會(huì)發(fā)生微小的形變，干擾了傳感器對(duì)壓力的正常讀取，形成誤差。本文使用的這種單模多模光纖光柵單模結(jié)構(gòu)可以有效的避免交叉敏感的發(fā)生。這是一種契合度較高的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，單模-多模光柵-單模結(jié)構(gòu)是在單模-多模-單模結(jié)構(gòu)中的多模光纖上寫(xiě)入光纖布拉格光柵，通過(guò)多模光柵對(duì)溫度的敏感計(jì)算出并補(bǔ)償?shù)魷囟葘?duì)壓力的影響，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的壓力測(cè)量。測(cè)壓探頭是光纖壓力的傳感器的感知部件，測(cè)壓探頭的封裝工藝基本原理是將光纖與溫度盡量隔絕，使之只能感受到壓力的變化。制作的方法是將光纖傳感器用外徑1.2mm、內(nèi)徑為0.8mm的聚乙烯管套裝，然后用環(huán)氧樹(shù)脂將套管與傳輸光纖粘接在一起，使光纖壓力傳感器一端固定，一端自由；最后將套管的另一端密封。光纖是檢測(cè)光源的載體，通過(guò)改變光纖的結(jié)構(gòu)來(lái)使得它能夠靈敏的表達(dá)測(cè)量部位的信息從而影響光譜的輸出，就是我們所說(shuō)的光纖傳感器。在這里我們利用內(nèi)窺鏡活檢鉗通道放置光纖，通過(guò)光纖傳感探頭將采集光信號(hào)反射傳輸回解析系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一系列解調(diào)，可以把數(shù)據(jù)還原成我們所需要的、直觀的壓力數(shù)據(jù)。

2 光纖壓力傳感器體外實(shí)驗(yàn)與分析

首先制作消化道內(nèi)靜脈曲張血管的模型，模擬消化道結(jié)構(gòu)使用的是直徑為30cm的塑料管，模擬血管壁結(jié)構(gòu)的是橡膠薄膜，將橡膠薄膜分別卷成4mm和8mm的仿真曲張靜脈血管，然后將血管粘貼到塑料管壁上，這樣就構(gòu)成了消化道內(nèi)曲張血管模型。將模擬血管內(nèi)充滿水并與醫(yī)用蠕動(dòng)泵相連接（蘭格精密蠕動(dòng)泵BT100-2J）實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變?nèi)鋭?dòng)泵流速來(lái)調(diào)節(jié)血管內(nèi)的壓力，即調(diào)節(jié)模擬曲張靜脈內(nèi)的壓力P0。連接醫(yī)用光纖測(cè)壓儀系統(tǒng)，兩名內(nèi)鏡操作醫(yī)生使用內(nèi)窺鏡對(duì)模擬患者進(jìn)行常規(guī)操作，先操作內(nèi)窺鏡進(jìn)入消化道，利用內(nèi)窺鏡活檢鉗通道將光傳感器送入消化道內(nèi)，將傳感器觸碰到血管壁上，得到測(cè)量的數(shù)值P1、P2，并調(diào)節(jié)加熱臺(tái)設(shè)置溫度，同時(shí)記錄壓力值變化。首先進(jìn)行溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，將蠕動(dòng)泵與測(cè)壓儀配合操作，調(diào)節(jié)到恒壓狀態(tài)，壓力設(shè)定為13cmH2O（正常人器官靜脈壓），操作者開(kāi)始使用探頭測(cè)量模擬血管內(nèi)血壓，將恒溫臺(tái)從36℃緩慢調(diào)節(jié)到39℃，反射光譜中反射峰（可折算成壓力值）隨溫度呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，再進(jìn)行壓力測(cè)試，兩名操作者在每個(gè)壓力點(diǎn)分別測(cè)量5次。測(cè)量結(jié)束后，漸次調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的壓力，從8cmH2O到30cmH2O漸次調(diào)節(jié)，操作醫(yī)生分別使用傳感器在4mm和8mm的血管壁上測(cè)量，共計(jì)測(cè)量了23次，分別用P1、P2標(biāo)注，并同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)值P0比對(duì)，結(jié)果如圖1所示。

為了確定兩名醫(yī)生的操作情況的差異性，P1、P2將進(jìn)行了數(shù)值比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩名醫(yī)生的操作傳感器的觸碰程度對(duì)測(cè)量的血管壓力影響不大，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)顯示，直徑分別為4mm和8mm的模擬曲張靜脈在模擬結(jié)構(gòu)中進(jìn)行的測(cè)量的實(shí)驗(yàn)具有很好的相關(guān)性，所測(cè)結(jié)果P1、P2將與標(biāo)準(zhǔn)值P0比對(duì)誤差較小，且P1、P2之間的測(cè)量值吻合度較高。表明P1、P2與P0之間有很好的線性關(guān)系，說(shuō)明了此款傳感器對(duì)大小血管的測(cè)量并無(wú)明顯的測(cè)量差異，對(duì)大的靜脈曲張血管和小的靜脈曲張血管均有很高的準(zhǔn)確性。

圖1

圖2

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的溫度補(bǔ)償型光纖傳感器在實(shí)驗(yàn)中得到很好的驗(yàn)證，優(yōu)勢(shì)明顯：抗干擾強(qiáng)、柔軟性好、易操作、無(wú)毒。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中已經(jīng)論證了此款光纖壓力傳感器對(duì)曲張靜脈壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性與可靠性，在4mm和8mm的血管實(shí)驗(yàn)中均能很好的近似的測(cè)量出蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)出的測(cè)量值，數(shù)據(jù)直觀且操作簡(jiǎn)單。但目前所有測(cè)試結(jié)果均建立在理想的條件下實(shí)現(xiàn)，真實(shí)的血管韌性和薄厚是不均勻的，且操作者是在消化道內(nèi)蠕動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀写谶M(jìn)一步精細(xì)化，課題組準(zhǔn)備在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)模型和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，以求到達(dá)臨床應(yīng)用的目的。