溫度補償型高精度醫用光纖壓力傳感器用于測量消化道內曲張靜脈壓力研究

宋大偉

（黑龍江省醫院醫學工程科，黑龍江 哈爾濱 150036）

有文獻提出肝硬化門脈高壓癥患者在消化道內出現靜脈曲張后破裂的風險很高，可達25%～35%，尤其是上消化道食管至胃部血管破裂的風險更大，有30%以上的人破裂后出血是致命的，最危險的是這種破裂出血有70%的人是反復發生的。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，但目前為止還沒有一種有效的、可靠的能夠預知風險的監測曲張靜脈破裂臨界壓力的方法。醫療工作者在實踐中總結出了一些方法，包括兩大類，有創測量和無創測量，有創測量數值準確，但在目前沒有有效的安全保障措施，因為曲張靜脈血管壁脆弱，介入測量進入到血管內如果方法不適當會產生危險。目前無創測量血管壓力按種類分主要有電子應力探頭測壓法、氣囊傳導測壓法、內鏡超聲系統引導法、計算機視覺法、內鏡空氣注入法等。這些工作原理的實質都是血管被壓扁時，血管壁內外壓力達到一個短時內的平衡，通過壓力傳導到探測器讀取出壓力值，并以此來判定曲張血管的危險程度。以上測量方法需要操作者本人對血管按壓，需要主觀判斷使用的力量是否能夠達到壓扁血管的要求，這就存在了個人差異，導致結果不準確。同時對此類傳感器使用的大小、空間要求比較苛刻，要求醫療工作者做到這些困難的非醫學檢查手段難度大，后續工作開展有一定困難。光纖技術出現以來，發展迅猛，傳感器應用在眾多領域，憑借著天然抗擾、無毒的優勢，醫療領域也迅速推廣應用，諸如臨床檢驗、內窺鏡、測溫、測壓，在醫療測壓領域中能用來測血管內血壓、顱內壓、心內壓、膀胱壓和尿道壓。

本文嘗試著提出了一款新穎的帶溫度補償的醫用光纖壓力傳感器，用來實現測量消化道內曲張靜脈壓力的一種新方法，通過體外模型驗證其測壓的準確性。

1 溫度補償型光纖壓力傳感器原理與設計

在現代技術中測量曲張靜脈壓力的方法中一般采用觸碰式測量，這種測量方式具有無創、操作便捷等優點，介入式測量法雖然更加直接準確，但是穿刺介入傳感器對患者存在相當的風險性，所以操作者很少采用。以血管為研究對象，在理想的條件下，我們認為血管是一個壓力容器，容器中液體均勻分布，所以在容器壁各個節點壓力相同，血管在受到壓迫時，由于血管壁的韌性度遠遠小于血管內的壓力，所以可以不考慮血管壁對血壓值測量的影響。在光纖傳感器的實際應用中，傳感器的信號往往是外界環境中各種因素影響的綜合結果，因此，設計多參數同時測量的光纖傳感器更有意義。我們設計的核心光纖傳感單元是一種單模-多模光柵-單模結構，是一種多參數傳感器，可以同時測量溫度和應力。具體結構是在兩段單模光纖中間熔接一段多模光纖，并在多模光纖上寫入光柵。

當光從單模光纖進入到多模光纖時，光場能量會從單模光纖中的單一模式向多模光纖中的多個模式分配。由于存在多個模式，且光從多模光纖再次耦合回單模光纖后，各個模式之間會相互干涉形成干涉圖譜，當傳感器受到外力時，多模光纖部分L會發生改變，利用此種特性研制出了可以測量壓力的傳感器。但此種結構的壓力傳感器還是不可避免的要面對交叉敏感問題，那就是當傳感器受到溫度影響的時候，L也會發生微小的形變，干擾了傳感器對壓力的正常讀取，形成誤差。本文使用的這種單模多模光纖光柵單模結構可以有效的避免交叉敏感的發生。這是一種契合度較高的補償結構，單模-多模光柵-單模結構是在單模-多模-單模結構中的多模光纖上寫入光纖布拉格光柵，通過多模光柵對溫度的敏感計算出并補償掉溫度對壓力的影響，實現精準的壓力測量。測壓探頭是光纖壓力的傳感器的感知部件，測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、內徑為0.8mm的聚乙烯管套裝，然后用環氧樹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。光纖是檢測光源的載體，通過改變光纖的結構來使得它能夠靈敏的表達測量部位的信息從而影響光譜的輸出，就是我們所說的光纖傳感器。在這里我們利用內窺鏡活檢鉗通道放置光纖，通過光纖傳感探頭將采集光信號反射傳輸回解析系統，經過一系列解調，可以把數據還原成我們所需要的、直觀的壓力數據。

2 光纖壓力傳感器體外實驗與分析

首先制作消化道內靜脈曲張血管的模型，模擬消化道結構使用的是直徑為30cm的塑料管，模擬血管壁結構的是橡膠薄膜，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，這樣就構成了消化道內曲張血管模型。將模擬血管內充滿水并與醫用蠕動泵相連接（蘭格精密蠕動泵BT100-2J）實驗中通過改變蠕動泵流速來調節血管內的壓力，即調節模擬曲張靜脈內的壓力P0。連接醫用光纖測壓儀系統，兩名內鏡操作醫生使用內窺鏡對模擬患者進行常規操作，先操作內窺鏡進入消化道，利用內窺鏡活檢鉗通道將光傳感器送入消化道內，將傳感器觸碰到血管壁上，得到測量的數值P1、P2，并調節加熱臺設置溫度，同時記錄壓力值變化。首先進行溫度補償實驗，將蠕動泵與測壓儀配合操作，調節到恒壓狀態，壓力設定為13cmH2O（正常人器官靜脈壓），操作者開始使用探頭測量模擬血管內血壓，將恒溫臺從36℃緩慢調節到39℃，反射光譜中反射峰（可折算成壓力值）隨溫度呈現出很好的線性關系，再進行壓力測試，兩名操作者在每個壓力點分別測量5次。測量結束后，漸次調節蠕動泵的壓力，從8cmH2O到30cmH2O漸次調節，操作醫生分別使用傳感器在4mm和8mm的血管壁上測量，共計測量了23次，分別用P1、P2標注，并同時與標準值P0比對，結果如圖1所示。

為了確定兩名醫生的操作情況的差異性，P1、P2將進行了數值比對，發現兩名醫生的操作傳感器的觸碰程度對測量的血管壓力影響不大，如圖2所示。

實驗顯示，直徑分別為4mm和8mm的模擬曲張靜脈在模擬結構中進行的測量的實驗具有很好的相關性，所測結果P1、P2將與標準值P0比對誤差較小，且P1、P2之間的測量值吻合度較高。表明P1、P2與P0之間有很好的線性關系，說明了此款傳感器對大小血管的測量并無明顯的測量差異，對大的靜脈曲張血管和小的靜脈曲張血管均有很高的準確性。

圖1

圖2

3 結語

本文提出的溫度補償型光纖傳感器在實驗中得到很好的驗證，優勢明顯：抗干擾強、柔軟性好、易操作、無毒。在實驗測試中已經論證了此款光纖壓力傳感器對曲張靜脈壓力測量的準確性與可靠性，在4mm和8mm的血管實驗中均能很好的近似的測量出蠕動泵調節出的測量值，數據直觀且操作簡單。但目前所有測試結果均建立在理想的條件下實現，真實的血管韌性和薄厚是不均勻的，且操作者是在消化道內蠕動的狀態下進行測量，實驗模型有待于進一步精細化，課題組準備在后續的實驗中進行設計動態模型和動物實驗，以求到達臨床應用的目的。