淺析紅外探測器在醫(yī)療領(lǐng)域上的應(yīng)用

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，波蘭紅外探測器及配套偏置和前置放大電路專業(yè)供應(yīng)商VIGO System的中紅外（MWIR）和遠(yuǎn)紅外（LWIR）探測器及探測模組可以用于廣泛的生物學(xué)、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括人體呼吸分析、無創(chuàng)血液檢測、牙科、藥學(xué)以及蛋白質(zhì)成分分析等。

1、人體呼吸分析

人體呼吸分析已成為一個重要的醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。人體呼出的氣體中含有3000多種物質(zhì)，其中很多物質(zhì)的濃度跟個體的健康狀況息息相關(guān)。

這些物質(zhì)被稱為生物標(biāo)志物，可用于人體各種疾病或病理過程的診斷。

人體呼吸分析是一種優(yōu)良的篩查方式，因為它快速、無創(chuàng)且無痛。不過，由于人體呼吸中生物標(biāo)志物的濃度較低，需要采用高分辨率的測量技術(shù)和高靈敏度的探測器。

紅外探測器已廣泛應(yīng)用于呼吸分析設(shè)備的研制。與其他技術(shù)相比，基于中紅外激光吸收光譜的痕量氣體傳感具有更快的響應(yīng)時間。

表1 紅外探測器檢測的呼吸生物標(biāo)志物

A. Sensormed呼吸分析儀

這套光電傳感系統(tǒng)利用激光吸收光譜技術(shù)和VIGO紅外探測模組開發(fā)，用于識別某些疾病的生物標(biāo)志物，例如：哮喘、心絞痛、胃病以及血液中膽紅素水平相關(guān)疾病，包括吉爾伯特綜合征、杜賓-約翰遜綜合征、Rotor綜合征、克里格勒-納杰爾綜合征等。

這套傳感系統(tǒng)由五個功能模塊構(gòu)成：

● 采樣系統(tǒng)–呼吸收集

● 調(diào)節(jié)系統(tǒng)–氣體樣品制備

● CEAS（腔增強吸收光譜）傳感器 - 檢測

● 雙光譜MUPASS（多通道吸收光譜系統(tǒng)）傳感器 - 檢測

● 信號處理系統(tǒng)-數(shù)據(jù)分析

Sensormed光電傳感呼吸分析儀

病人呼出的氣體由采樣系統(tǒng)采集。根據(jù)ATS/ERS標(biāo)準(zhǔn)，它能夠以“在線”或“離線”模式工作。

在制備氣體樣品的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，會對樣品進(jìn)行額外處理，包括：去除水分、產(chǎn)生負(fù)壓并提供適當(dāng)?shù)臍饬魉俣取?/p>

該系統(tǒng)的CEAS傳感器檢測一氧化氮（NO）氣體，采用QCL激光器（λ= 5.26 μm）和VIGO高靈敏度紅外探測模組，檢測限約30 ppb。為了檢測識別甲烷（CH4）和一氧化碳（CO）氣體，系統(tǒng)采用了一個具有多通道檢測池的雙光譜MUPASS傳感器。

甲烷氣體的檢測限（λ=2.2536 μm）為100 ppb，一氧化碳?xì)怏w（λ=2.336 μm）為400 ppb。來自傳感器的信號由接口模塊記錄，并傳輸?shù)叫盘柼幚硐到y(tǒng)（計算機和軟件），信號輸入后進(jìn)行可視化并提供分析結(jié)果。

B. 肝功能檢測

準(zhǔn)確評估肝功能，對肝外科、肝移植、腫瘤學(xué)和肝病學(xué)都有重要意義。Methacetin呼氣檢測是一種安全、準(zhǔn)確分析慢性肝病患者肝功能的診斷工具。

這種動態(tài)肝功能試驗檢測基于13C- Methacetin代謝。Methacetin由肝臟特異性肝細(xì)胞色素P450 1A2系統(tǒng)代謝為對乙酰氨基酚和13C-甲醛，然后經(jīng)過多步快速酶促形成13CO2，隨后通過血流輸送到肺部呼出。

通過持續(xù)測量13CO2/12CO2比值，可以評估個體的肝功能。

13C- Methacetin呼吸檢測的原理

C. 13C-尿素呼吸試驗檢測對幽門螺桿菌感染的診斷

尿素呼氣試驗，是非侵入性鑒定幽門螺桿菌感染最重要的方法之一。它基于幽門螺桿菌將尿素轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氨。患者攝入標(biāo)記非放射性13C-尿素，在10~30分鐘內(nèi)，呼出氣體中存在同位素標(biāo)記的13CO2，意味著尿素被分解。表明患者胃里存在幽門螺桿菌用來代謝的尿素酶，從而判定存在幽門螺桿菌。

13C-尿素呼吸試驗檢測幽門螺桿菌的原理

2、無創(chuàng)體內(nèi)血糖傳感

無需刺破指尖采血的血糖傳感裝置，可以幫助糖尿病患者無創(chuàng)測量血糖水平，從而大大提高糖尿病患者的生活質(zhì)量。此外，這種裝置還可以幫助健康人群監(jiān)測和管理他們的血糖水平，以維持健康積極的生活。

葡萄糖等許多分子在中紅外區(qū)域表現(xiàn)出強烈的共振。與近紅外區(qū)相比，中紅外區(qū)的葡萄糖吸收特征更容易與其它競爭性吸收相區(qū)分。

在體內(nèi)血糖傳感中，中紅外輻射應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)是水分較高的吸收性，使其穿透皮膚的深度受到限制。

利用QCL光譜進(jìn)行中紅外無創(chuàng)血糖皮膚測量的原理

將脈沖QCL光譜（調(diào)諧范圍8~10 μm）輻射集中在人體皮膚上，然后，光被葡萄糖分子吸收，并從人體皮膚的真皮層反向散射。然后，反射光儲存在一個小型積分球中，通過VIGO TE制冷型長波紅外探測器檢測。

3、牙科應(yīng)用

A. 蛀牙的早期發(fā)現(xiàn)

傳統(tǒng)的齲齒檢測方法包括X線造影和CT等，但它們對早期齲齒的檢測不夠?qū)嵱谩?/p>

如果早期診斷出齲齒，在更多牙齒被破壞之前，再礦化治療可以避免蛀牙并穩(wěn)定或逆轉(zhuǎn)齲齒病變。從而消除進(jìn)一步的侵入性治療。

紅外探測在齲齒早期檢測中的應(yīng)用

當(dāng)?shù)凸β拭}沖激光照射到牙齒上時，系統(tǒng)可以測量牙齒釋放的輝光（發(fā)光）和熱量（光熱輻射）。

激光輻射在與蛀牙和健康牙齒相互作用時，它們的反應(yīng)是不同的。通過這種差異，可以檢測小到50 μm，齒面以下不超過5 mm的病灶。紅外激光照射到牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)上會轉(zhuǎn)化為熱量，使牙齒的溫度升高約1攝氏度。這種輕微的溫度升高對牙髓或牙齒神經(jīng)的健康或完整性幾乎沒有影響。通過改變激光脈沖的循環(huán)頻率，可以探測牙釉質(zhì)或牙本質(zhì)內(nèi)部的不同深度。

VIGO中紅外探測器可以捕捉牙齒發(fā)出的熱輻射，并測量熱傳播的距離，以提供有關(guān)牙齒深層區(qū)域的信息。另一部分激光能量會轉(zhuǎn)化為可見光，可以通過普通的光電探測器進(jìn)行分析。

B. 無麻醉CO2激光牙科手術(shù)

激光牙科手術(shù)利用精確聚焦的激光光源治療各種牙科疾病。與鉆頭和其他非激光工具相比，它為涉及軟、硬組織的牙科手術(shù)提供了一種經(jīng)濟、高效且舒適的治療方案。

軟組織指牙齦，硬組織指牙齒。硬組織CO2激光可以穿透牙齒結(jié)構(gòu)，口腔中的水和牙齒中特定礦物質(zhì)會吸收部分激光輻射。這種激光手術(shù)可以用來塑形牙齒，為復(fù)合粘接做牙齒準(zhǔn)備，修復(fù)磨損的牙齒填充物，并除去一些牙齒結(jié)構(gòu)等。

在許多病例中，激光手術(shù)可以在無需局部麻醉的情況下，有助于牙洞準(zhǔn)備和齲齒結(jié)構(gòu)的去除。手術(shù)激光器必須符合輻射安全性能標(biāo)準(zhǔn)。VIGO長波紅外探測器可以幫助精確控制和安全操作牙科手術(shù)激光器。
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