醫用光學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這三種醫學常用的新型光學傳感器以及它們在醫學診斷中的應用情況加以簡要介紹。從它們的科學性和實用性可以表明醫用光學傳感器廣闊的發展前景。

醫用傳感器是醫學測量儀器的第一環節，是醫學儀器與人體直接耦合關鍵的器件。可以說，它在從定性醫學走向定量醫學發展過程中起到了重要的作用。光學傳感器是從物理傳感器中發展起來的，而在其與醫學相結合的應用方面更有待于進一步完善和推廣。光學傳感器是將光信號轉換成電信號的器件，它的突出優點是：速度快、靈敏度高、結構簡單以及由于具有很強的抗干擾能力而形成的高可靠性。

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光電倍增管

光電倍增管主要用于放射醫學的測量儀器。它是根據光電效應原理制成的，屬于外光電效應器件，其內部有一個易于發生光電效應的陰極、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，且使其產生熒光，熒光通過光敏層、反射體等，收集發射到陰極上并能夠打出一些光電子，其數量與光強度成正比。這些光電子經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射的光電子增加了幾百萬倍，進而達到倍增的目的。

在影像診斷中，需要測量引入人體內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，成為閃爍計數器，也稱為γ射線計數器。當γ射線射到晶體碘化鈉上，晶體受激后會發光。發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。

以光電管為核心組成的閃爍計數器主要用在探測γ和β射線，有時也用來探測β射線和中子。液體閃爍計數器主要用來探測很弱的低能β射線。當放射性同位素31H發出的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，就可以測到由體內標記化合物發出的帶有生物體某些信息的量，從而可根據射線量做出某種診斷。以吸碘功能儀為例，其結構框圖如圖1所示。甲狀腺發出的射線經探頭（閃爍計數器）變為電脈沖。脈沖放大后進入單道分析器，選擇出射線能量相對應的電脈沖，最后作定時或定量顯示。

圖1.吸碘功能儀結構框圖

另外，從體外探測放射性物質在體內情況的顯像裝置有γ掃描機和γ照相機兩種。γ掃描機在一定時間內只探測體內一個小區域中發出的γ射線，用逐點、逐行掃描的方式來獲取物質在體內某個部位分布的整個圖像。γ照相機可同時探測到體內某個部位中各處發射的γ射線，且能區別出發射的位置，再通過積累γ射線的計數而得到放射性物質的分布圖像。相比之下，γ照相機的靈敏度較高。

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光纖傳感器

光纖傳感器在觀察體內器官，傳遞形態學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，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。

下面以光纖體壓計為例，簡要介紹其裝置及原理。

光纖體壓計可以測量人體內各部位的壓力，如膀胱、尿道和直腸等部位的壓力?，甚至顱內和心血管（尤其是動脈和心室）壓力也可以用光纖體壓計來測量。?圖2為一種醫用光纖體壓計探針結構圖，其中對壓力敏感的部分是在探針導管末端側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，薄膜發生形變且能帶動懸臂使反射鏡角度發生改變。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小。

圖2.光纖體壓計探針

醫用光纖傳感器種類還有很多，如光纖測氧計、光纖血流計、纖體溫計和光纖醫用PH計等。目前，它們的研究與應用正受到廣泛的重視，種類也日趨繁多，功能和質量也不斷完善，從而越來越顯示出光纖傳感技術在這一領域中應用的廣闊前景。

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CCD電荷耦合器件

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，半導體表面形成深耗盡狀態。圖像的光照射在半導體表面上，光子被吸收產生“光生電子”。該電子數正比于受光強度，從而實現了光電轉換。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換為數字信號。

CCD電荷耦合器件自70年代出現后，不斷完善，發展很快，出現了很多的CCD芯片。它們突出的優點是工作穩定、重量輕、功耗低、抗干擾性強、壽命長，主要被應用于各種攝像設備中［7］。由于CCD體積小，因此在內窺鏡中和介入型治療儀器中，作為攝像部件可直接放入人體內攝取信號，再將傳出的信號由屏幕顯示出來，方便操作者直接看到病人體內的圖像，使形態性病變的診斷和定位變得非常清楚、可靠。

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醫用光學傳感器的發展方向

由于半導體技術已進入了超大規模集成化階段，對醫用光學傳感器的各種制造工藝和材料性能的研究已達到相當高的水平。因此可以預測它正向著傳感器的固態化、集成化和多功能化、二維、三維的空間測量和智能化方向發展。我們可以想象將來有一天，人們可以利用光纖和先進的半導體激光器件開發出多信息超小型傳感器陣列，再利用多種信息同時測量技術，通過導管探針可以從心臟里同時獲得測量有關心功能的多種信息。