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(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，但目前為止還沒有一種有效的、可靠的能夠預(yù)知風(fēng)險的監(jiān)測曲張靜脈破裂臨界壓力的方法。醫(yī)療工作者在實踐中總結(jié)出了一些方法，包括兩大類，有創(chuàng)測量和無創(chuàng)測量，有創(chuàng)測量數(shù)值準(zhǔn)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(jìn)入到血管內(nèi)如果方法不適當(dāng)會產(chǎn)生危險。目前無創(chuàng)測量血管壓力按種類分主要有電子應(yīng)力探頭測壓法、氣囊傳導(dǎo)測壓法、內(nèi)鏡超聲系統(tǒng)引導(dǎo)法、計算機視覺法、內(nèi)鏡空氣注入法等。這些工作原理的實質(zhì)都是血管被壓扁時，血管壁內(nèi)外壓力達(dá)到一個短時內(nèi)的平衡，通過壓力傳導(dǎo)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(dá)到壓扁血管的要求，這就存在了個人差異，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)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(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)工作開展有一定困難。光纖技術(shù)出現(xiàn)以來，發(fā)展迅猛，傳感器應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，憑借著天然抗擾、無毒的優(yōu)勢，醫(yī)療領(lǐng)域也迅速推廣應(yīng)用，諸如臨床檢驗、內(nèi)窺鏡、測溫、測壓，在醫(yī)療測壓領(lǐng)域中能用來測血管內(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償?shù)尼t(yī)用光纖壓力傳感器，用來實現(xiàn)測量消化道內(nèi)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(zhǔn)確性。

1 溫度補償型光纖壓力傳感器原理與設(shè)計

在現(xiàn)代技術(shù)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(chuàng)、操作便捷等優(yōu)點，介入式測量法雖然更加直接準(zhǔn)確，但是穿刺介入傳感器對患者存在相當(dāng)?shù)娘L(fēng)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(rèn)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(jié)點壓力相同，血管在受到壓迫時，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血壓值測量的影響。在光纖傳感器的實際應(yīng)用中，傳感器的信號往往是外界環(huán)境中各種因素影響的綜合結(jié)果，因此，設(shè)計多參數(shù)同時測量的光纖傳感器更有意義。我們設(shè)計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，可以同時測量溫度和應(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，并在多模光纖上寫入光柵。

當(dāng)光從單模光纖進(jìn)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(dāng)傳感器受到外力時，多模光纖部分L會發(fā)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(jié)構(gòu)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(dāng)傳感器受到溫度影響的時候，L也會發(fā)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(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?shù)魷囟葘毫Φ挠绊懀瑢崿F(xiàn)精準(zhǔn)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(nèi)徑為0.8mm的聚乙烯管套裝，然后用環(huán)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(jié)構(gòu)來使得它能夠靈敏的表達(dá)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(nèi)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(tǒng)，經(jīng)過一系列解調(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驗與分析

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)用蠕動泵相連接（蘭格精密蠕動泵BT100-2J）實驗中通過改變?nèi)鋭颖昧魉賮碚{(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)用光纖測壓儀系統(tǒng)，兩名內(nèi)鏡操作醫(yī)生使用內(nèi)窺鏡對模擬患者進(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，得到測量的數(shù)值P1、P2，并調(diào)節(jié)加熱臺設(shè)置溫度，同時記錄壓力值變化。首先進(jìn)行溫度補償實驗，將蠕動泵與測壓儀配合操作，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），操作者開始使用探頭測量模擬血管內(nèi)血壓，將恒溫臺從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)行壓力測試，兩名操作者在每個壓力點分別測量5次。測量結(jié)束后，漸次調(diào)節(jié)蠕動泵的壓力，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的血管壁上測量，共計測量了23次，分別用P1、P2標(biāo)注，并同時與標(biāo)準(zhǔn)值P0比對，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，發(fā)現(xiàn)兩名醫(yī)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(jié)構(gòu)中進(jìn)行的測量的實驗具有很好的相關(guān)性，所測結(jié)果P1、P2將與標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(zhǔn)確性。

圖1

圖2

3 結(jié)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(yōu)勢明顯：抗干擾強、柔軟性好、易操作、無毒。在實驗測試中已經(jīng)論證了此款光纖壓力傳感器對曲張靜脈壓力測量的準(zhǔn)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(diào)節(jié)出的測量值，數(shù)據(jù)直觀且操作簡單。但目前所有測試結(jié)果均建立在理想的條件下實現(xiàn)，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(nèi)蠕動的狀態(tài)下進(jìn)行測量，實驗?zāi)Ｐ陀写谶M(jìn)一步精細(xì)化，課題組準(zhǔn)備在后續(xù)的實驗中進(jìn)行設(shè)計動態(tài)模型和動物實驗，以求到達(dá)臨床應(yīng)用的目的。