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2011-03-06 22:36 |
醫(yī)用光學(xué)傳感器的應(yīng)用
摘要：醫(yī)用光學(xué)傳感器是傳感器中的重要成員。本文對光電倍增管、光纖和CCD這三種醫(yī)學(xué)常用的新型光學(xué)傳感器以及它們在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用情況加以簡要介紹。從它們的科學(xué)性和實用性可以表明醫(yī)用光學(xué)傳感器廣闊的發(fā)展前景。 YRu/KUT$ 7
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引言：醫(yī)用傳感器是醫(yī)學(xué)測量儀器的第一環(huán)節(jié)，是醫(yī)學(xué)儀器與人體直接耦合關(guān)鍵的器件�？梢哉f，它在從定性醫(yī)學(xué)走向定量醫(yī)學(xué)發(fā)展過程中起到了重要的作用。光學(xué)傳感器是從物理傳感器中發(fā)展起來的，而在其與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的應(yīng)用方面更有待于進一步完善和推廣。光學(xué)傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，它的突出優(yōu)點是：速度快、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單以及由于具有很強的抗干擾能力而形成的高可靠性［1］。 lQL /I[}
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1.光電倍增管 yPf,GB"
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光電倍增管主要用于放射醫(yī)學(xué)的測量儀器。它是根據(jù)光電效應(yīng)原理制成的，屬于外光電效應(yīng)器件，其內(nèi)部有一個易于發(fā)生光電效應(yīng)的陰極、一個陽極和若干個中間電極（通常為7～11個，它們的電勢一個比一個高約100 V左右）。γ射線射到熒光體，且使其產(chǎn)生熒光，熒光通過光敏層、反射體等，收集發(fā)射到陰極上并能夠打出一些光電子，其數(shù)量與光強度成正比。這些光電子經(jīng)過中間電極的加速和逐級增加二次電子后，落到陽極上的二次電子比陰極發(fā)射的光電子增加了幾百萬倍，進而達到倍增的目的［2,3］。 ]4Q~x
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在影像診斷中，需要測量引入人體內(nèi)部某一位置的放射性同位素的γ射線。這一工作從前需用電云室、蓋革計數(shù)器來完成，而當前多用光電倍增管和加在其前面的閃爍晶體（用鉈活化的碘化鈉晶體）連接起來，成為閃爍計數(shù)器，也稱為γ射線計數(shù)器。當γ射線射到晶體碘化鈉上，晶體受激后會發(fā)光。發(fā)出的光脈沖射到光電管的陰極上，從而在陽極上得到增加了105～106倍的輸出脈沖電流。此電流經(jīng)過放大、記錄，用來反映入射γ射線的強度。目前使用這種閃爍計數(shù)器制成的射線探測儀器種類很多，例如吸碘功能儀、腎功能測定儀、掃描機及γ照相機等。 _4LDzVjNRe
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以光電管為核心組成的閃爍計數(shù)器主要用在探測γ和β射線，有時也用來探測β射線和中子。液體閃爍計數(shù)器主要用來探測很弱的低能β射線。當放射性同位素31H發(fā)出的β射線射到熒光液體中，有兩個光電倍增管同時探測β射線，其效率更高。具體應(yīng)用時只需把γ射線探測器放在生物體外的某一位置上，就可以測到由體內(nèi)標記化合物發(fā)出的帶有生物體某些信息的量，從而可根據(jù)射線量做出某種診斷。以吸碘功能儀為例，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。甲狀腺發(fā)出的射線經(jīng)探頭（閃爍計數(shù)器）變?yōu)殡娒}沖。脈沖放大后進入單道分析器，選擇出射線能量相對應(yīng)的電脈沖，最后作定時或定量顯示［4］。 !]MGIh#u
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另外，從體外探測放射性物質(zhì)在體內(nèi)情況的顯像裝置有γ掃描機和γ照相機兩種。γ掃描機在一定時間內(nèi)只探測體內(nèi)一個小區(qū)域中發(fā)出的γ射線，用逐點、逐行掃描的方式來獲取物質(zhì)在體內(nèi)某個部位分布的整個圖像。γ照相機可同時探測到體內(nèi)某個部位中各處發(fā)射的γ射線，且能區(qū)別出發(fā)射的位置，再通過積累γ射線的計數(shù)而得到放射性物質(zhì)的分布圖像。相比之下，γ照相機的靈敏度較高。 G)gPL]C0
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2.光纖傳感器 /BrbP7
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光纖傳感器在觀察體內(nèi)器官，傳遞形態(tài)學(xué)檢查圖像中起到重要作用。它一般是由光纖和光電器件組成。光纖是由纖維芯和覆蓋層組成的。光纖的直徑多為10～200 μm，長度因用途而異。纖維芯的材料一般用多成分玻璃或塑料制成，而覆蓋層用折射率低的玻璃或其它材料。為了將光從光纖的一端傳到另一端，外部射入光線的入射角應(yīng)滿足全反射的基本條件。此外，還要避免光在一定的傳播距離內(nèi)，纖維芯的吸收、散射及彎曲處的輻射而造成能量被耗盡的情況。光在纖維芯中傳播時損失多少，則與纖維成分和光波波長有關(guān)［5］。 \/!jGy*
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下面以光纖體壓計為例，簡要介紹其裝置及原理。 % O*)'ni
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光纖體壓計可以測量人體內(nèi)各部位的壓力，如膀胱、尿道和直腸等部位的壓力 ，甚至顱內(nèi)和心血管（尤其是動脈和心室）壓力也可以用光纖體壓計來測量。 圖2為一種醫(yī)用光纖體壓計探針結(jié)構(gòu)圖，其中對壓力敏感的部分是在探針導(dǎo)管末端側(cè)壁上的一塊防水薄膜。一面帶有懸臂的微型反射鏡與薄膜相連。反射鏡 對面是一束光纖，用來傳遞入射光到反射鏡，同時也將反射光傳送出來。當薄膜上有壓力作用時，薄膜發(fā)生形變且能帶動懸臂使反射鏡角度發(fā)生改變。從光纖傳來的光束照射到反光鏡上，再反射到光纖的端點。由于反射光的方向隨反射鏡角度的變化而改變，因此光纖接收到的反射光的強度也隨之變化。這一變化通過光纖傳到另一端的光電探測器變成電信號，這樣通過電壓的變化便可知探針處的壓力大�。�6］。 #Wt1Ph_;
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醫(yī)用光纖傳感器種類還有很多，如光纖測氧計、光纖血流計、纖體溫計和光纖醫(yī)用PH計等。目前，它們的研究與應(yīng)用正受到廣泛的重視，種類也日趨繁多，功能和質(zhì)量也不斷完善，從而越來越顯示出光纖傳感技術(shù)在這一領(lǐng)域中應(yīng)用的廣闊前景。 Lw6}b B`}
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3.CCD電荷耦合器件 )5 x,-m@
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CCD（Charge Coupled Device）的工作原理為：在N型、P型硅襯底的表面上，有一層SiO2絕緣層，在其上淀積一組排列整齊、相距很近的柵極。在柵極的作用下，半導(dǎo)體表面形成深耗盡狀態(tài)。圖像的光照射在半導(dǎo)體表面上，光子被吸收產(chǎn)生“光生電子”。該電子數(shù)正比于受光強度，從而實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。輸出脈沖的順序可以反映出光敏元件的位置，這就起到圖像傳感的作用。如果希望對圖像進行計算機處理，CCD是很好的攝像器件，可以將拍攝的圖像信息精確的轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
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