解析医用光学传感器及其应用

医用光学传感器是传感器中的重要成员。本文对光电倍增管、光纤和CCD这三种医学常用的新型光学传感器以及它们在医学诊断中的应用情况加以简要介绍。从它们的科学性和实用性可以表明医用光学传感器广阔的发展前景。

医用传感器是医学测量仪器的第一环节，是医学仪器与人体直接耦合关键的器件。可以说，它在从定性医学走向定量医学发展过程中起到了重要的作用。光学传感器是从物理传感器中发展起来的，而在其与医学相结合的应用方面更有待于进一步完善和推广。光学传感器是将光信号转换成电信号的器件，它的突出优点是：速度快、灵敏度高、结构简单以及由于具有很强的抗干扰能力而形成的高可靠性［1］。

1.光电倍增管

光电倍增管主要用于放射医学的测量仪器。它是根据光电效应原理制成的，属于外光电效应器件，其内部有一个易于发生光电效应的阴极、一个阳极和若干个中间电极（通常为7～11个，它们的电势一个比一个高约100 V左右）。γ射线射到荧光体，且使其产生荧光，荧光通过光敏层、反射体等，收集发射到阴极上并能够打出一些光电子，其数量与光强度成正比。这些光电子经过中间电极的加速和逐级增加二次电子后，落到阳极上的二次电子比阴极发射的光电子增加了几百万倍，进而达到倍增的目的［2,3］。

在影像诊断中，需要测量引入人体内部某一位置的放射性同位素的γ射线。这一工作从前需用电云室、盖革计数器来完成，而当前多用光电倍增管和加在其前面的闪烁晶体（用铊活化的碘化钠晶体）连接起来，成为闪烁计数器，也称为γ射线计数器。当γ射线射到晶体碘化钠上，晶体受激后会发光。发出的光脉冲射到光电管的阴极上，从而在阳极上得到增加了10⁵～10⁶倍的输出脉冲电流。此电流经过放大、记录，用来反映入射γ射线的强度。目前使用这种闪烁计数器制成的射线探测仪器种类很多，例如吸碘功能仪、肾功能测定仪、扫描机及γ照相机等。

以光电管为核心组成的闪烁计数器主要用在探测γ和β射线，有时也用来探测β射线和中子。液体闪烁计数器主要用来探测很弱的低能β射线。当放射性同位素31H发出的β射线射到荧光液体中，有两个光电倍增管同时探测β射线，其效率更高。具体应用时只需把γ射线探测器放在生物体外的某一位置上，就可以测到由体内标记化合物发出的带有生物体某些信息的量，从而可根据射线量做出某种诊断。以吸碘功能仪为例，其结构框图如图1所示。甲状腺发出的射线经探头（闪烁计数器）变为电脉冲。脉冲放大后进入单道分析器，选择出射线能量相对应的电脉冲，最后作定时或定量显示。

图1.吸碘功能仪结构框图

另外，从体外探测放射性物质在体内情况的显像装置有γ扫描机和γ照相机两种。γ扫描机在一定时间内只探测体内一个小区域中发出的γ射线，用逐点、逐行扫描的方式来获取物质在体内某个部位分布的整个图像。γ照相机可同时探测到体内某个部位中各处发射的γ射线，且能区别出发射的位置，再通过积累γ射线的计数而得到放射性物质的分布图像。相比之下，γ照相机的灵敏度较高。

2.光纤传感器

光纤传感器在观察体内器官，传递形态学检查图像中起到重要作用。它一般是由光纤和光电器件组成。光纤是由纤维芯和覆盖层组成的。光纤的直径多为10～200 μm，长度因用途而异。纤维芯的材料一般用多成分玻璃或塑料制成，而覆盖层用折射率低的玻璃或其它材料。为了将光从光纤的一端传到另一端，外部射入光线的入射角应满足全反射的基本条件。此外，还要避免光在一定的传播距离内，纤维芯的吸收、散射及弯曲处的辐射而造成能量被耗尽的情况。光在纤维芯中传播时损失多少，则与纤维成分和光波 波长有关。