一种测量压应力和折射率的超短光纤实验室传感器

医疗包裹式探针的“lab-in-fiber”同时测量压力和折射率。

测量体内压力和组织液折射率

“双光纤”传感器

从提供连续血氧监测的指尖脉搏血氧仪（fingertip pulse oximeters）到为微创手术（laparoscopic imagers）提供可视化的腹腔镜成像仪，小型、功能强大的传感器（minimally invasive surgery）改善了医疗保健。西班牙研究人员开发出一种超短光纤实验室 (ab-in-fiber，LIF) 传感器，旨在同时测量压应力和折射率。

新设备被设计成套在直径为 400 微米的标准手术针中（sheathed in a standard 400-µm-diameter surgical needle），压应力传感器检测与目标组织的接触。同时，传感器检测折射率，来表征局部环境的相关信息。测量可以与其他设备同步进行，紧凑的尺寸和同步性提供了独特、快速和微创的功能。

小  而  精

芯片实验室设备（lab-on-chip）的功能逐步的扩展到 LIF 设计，光纤其固有的光传输的能力再加上检测功能的集成，使得光纤很有优势。坎塔布里亚大学（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 ，发现它们 4 到 5 毫米的长度太长，无法用作高可靠性的生物医学传感器。他们着手设计了一个更短的传感器，在 300 µm 长的 125 µm 光纤中集成了法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot cavity)和布拉格光栅（Bragg grating）。法布里-珀罗腔是一个插入光纤中的“气泡”，布拉格光栅的折射率周期性变化。

气泡是用飞秒激光在光纤端面上刻出一个凹痕（inscribes an indentation）形成的，然后将其拼接到光纤的切割面上。初始压痕和熔接电流的持续时间和大小决定了气泡尺寸。在使用中，宽带光源照亮气泡，该光源询问由两个相对的光纤面产生的法布里-珀罗腔的自由光谱范围 (free spectral range，FSR)。

较大的气泡对压缩引起的腔长变化更敏感（more sensitive to compression-induced changes in cavity length），但也会导致两个纤芯之间的耦合性能降低。模拟结果显示，可以接受大约 70 µm 的直径。研究人员确定好制造参数，使他们能够重复地制造出直径误差约 5% 的 70 微米气泡。

光纤光栅也是用飞秒激光脉冲制造的，在 1.61 µm 的空间周期内产生大约 1 µJ 的折射率变化，引起大约 0.005 的折射率变化。为确保光栅和腔测量保持可分离（grating and cavity measurements remain separable），光栅从腔外 18 µm 开始，并延伸至光纤末端 200 µm。光纤末端逐渐变细，直径为 75 µm，这增加了光纤与周围介质之间的相互作用，同时仍保持一定程度的可靠性。周围介质的折射率改变了光栅的有效折射率，改变了布拉格反射的波长。

制造的最后一步是将光纤系统粘合在手术针内，只有最后 200 µm 超出针的边缘。Roldán-Varona 的团队对光传播进行了模拟，以确定最佳指标。

双  重  功  能

为了验证性能，1300-1600 nm 宽带耦合到光纤，并使用光谱分析仪检测反射。研究人员调整了不同程度的轴向应变，并将光纤浸入不同浓度的糖水（sugar water of various concentrations）中。FSR 测量提供6.7 pm 的应变灵敏度（每 10-6 次应变变化 ）。与组织的接触会导致应变变化大 200-400 倍，使之易于检测。光栅反射率也会随着应变而变化，但可以通过 FSR 的独立测量进行校正。在 1.33 到 1.35 的生理相关范围内（around the index of water），每个折射率单位的反射率偏移为 11.5 nm。

Roldán-Varona 的团队正在评估其他设计方法，例如将腔体放置在光栅的下游并插入通孔以注入周围的介质（infusing the surrounding medium）。“我们的设备代表了临床程序的进步，”他说，“因为它允许将针头自动插入所需的组织，但与绝大多数传感器不同的是，它的最大优势在于它可以反射检测，所以它是微创的。” 他还指出，与手术针的集成“允许在医疗环境中利用光纤的优势——小尺寸和抗电干扰能力（small size and immunity to electrical interference）。” 例如，传感器可以指示针何时进入器官（如肝脏），然后测量因异常情况引起的指数变化。

审核编辑：刘清