光纤传感器已成为医疗设备中实时反馈的一项革命性技术。这些传感器可用于分析压力、温度和应变，甚至通过提供形状传感来替代X射线，减少对透视成像的依赖，以监测设备的位置。这类传感光纤通常采用光纤布拉格光栅（FBG）技术，能够实现高灵敏度且占用空间极小的参数测量。FBG是通过将光学纤维横向暴露于周期性的强激光光束模式下制成的，该模式在光纤芯内产生永久性的折射率变化。由此形成的FBG可作为特定波长的波长选择性镜面。

(NAO.VNS迷走神经神经刺激器，包含用于信号传输的塑料光纤。图片由SHUTE提供。)

形状传感在医疗领域具有多种有趣的应用。该技术利用光纤出色的特性，实现三维曲率和形状的感知。总部位于德国和比利时的FBGS公司是光纤布拉格光栅（FBG）传感技术的领先开发者，在使用多芯光纤（MCFs）进行形状传感方面取得了显著进展。其解决方案通过将FBG阵列嵌入MCF中，实现对多个轴向的应变进行同步、实时测量。MCF结构通常包含一个中心芯和沿周长分布的若干等间距外层芯。根据MCF的曲率方向，外层芯上的特定光栅相对于中心芯会产生相对拉伸或压缩，从而分别记录正向或负向的应变变化。

通过比较芯材之间的相对应变，FBGS形状系统能够高精度地重建光纤的局部曲率和整体三维形状，同时补偿温度等环境因素的影响。这种形状传感技术广泛应用于医院和诊所，可用于消融手术中的导管导航、手动及机器人手术中的位置跟踪、神经外科针具追踪、神经植入物定位跟踪以及支气管镜检查中的器械导航等任务。

力-位移传感

在微创和机器人手术中，实时掌握导管等器械远端尖端所施加的力的大小，对于手术的成功至关重要。过大的接触力可能损伤精细组织或器械本身，而力不足则可能导致操作无效或不稳定。然而，由于微型化和受限环境的限制，通常很难在器械尖端附近集成传统的电子传感器。FBGS正利用其多芯光纤传感技术，为这一应用开发解决方案。该技术可高精度地检测轴向（沿器械轴线）和横向（垂直）力，并通过同一根光纤实现温度补偿和形状感知。

设计基于光纤布拉格光栅（FBG）的探针力传感器，需要优化多个相互关联的因素，例如机械灵敏度、测量范围、结构完整性以及制造可行性。这些方面必须精心平衡，以在紧凑的几何结构内实现可靠且精确的力测量。其中一个关键因素是弯曲结构，即将外部力传递至MCF的机械元件。该结构必须具备适用于所选应用的适当刚度和几何形状。

开发力传感器的方法多种多样。一方面，由于螺旋弹簧的刚度较低，其弯曲变形能提供较高的力感分辨率，因此特别适用于需要精确检测微小力的应用。然而，其几何结构使得难以减小整体器件的直径。

相比之下，穿孔或六角形镍钛管弯曲件具有更紧凑的设计和较高的轴向灵敏度，且更容易实现微型化，但其较高的刚度会导致力感测分辨率降低。同样，实心镍钛管弯曲件具有更优异的坚固性和横向强度，因此非常适合承受较高外部载荷或机械应力的环境，但相比螺旋弹簧设计，其灵敏度较低。在传感器制造过程中还需考虑选择合适的材料、光纤在弯曲件中的位置以及光探测系统等因素。

FBGS开发的一种有趣配置是基于实心镍钛管弯曲结构的轴向力传感器。该传感器适用于主要作用力沿单一轴线方向施加的情况，例如设备展开、组织穿刺或导管通过迂回路径推进时。在这些环境中，传感器必须保持紧凑、坚固，并能抵抗横向弯曲，同时向操作者或机器人控制器提供精确的轴向反馈。

（多芯光纤（MCF）的内部结构。图片由FBGS提供。）

在这种情况下，镍钛合金的超弹性特性使管材能够在不造成永久性损伤的情况下承受显著变形，而其高抗疲劳强度则确保了在反复使用过程中性能稳定。MCF安装在管内，并通过受控预紧力固定，即使在压缩载荷下也能保持精确的应变传递。该设计的简洁性还便于将其集成到标准介入工具中，且不会改变其机械结构。

实验验证表明，实心管传感器可在整个量程范围内实现高重复性和线性度，测量力可达±5 N。光纤的平均绝对误差保持在约0.16 N，纵向分辨率达到约0.025 N。这种精度水平足以满足医疗器械的可控插入、展开力监测或遥操作机器人系统的反馈控制等任务需求。其结构坚固性使其特别适用于需要频繁通过狭窄解剖曲面或反复承受机械载荷的操作过程。

多功能纤维

另一个关键趋势是将传感与靶向治疗整合到单根光纤的组件中。作为古河电气集团的一部分成立的全球光纤与连接技术公司Lightera，正积极满足这一需求。该公司近期在单一光纤平台上实现了实时光纤温度传感与精密激光功率传输的结合。该系统专为对温度精度要求极高的医疗应用而设计，在治疗部位提供能量点的温度反馈，帮助设备制造商在激光辅助手术中实现更稳定的控制，并为临床操作者提供实时反馈。这种方法尤其适用于血管内介入治疗——因为意外产生的热量可能增加血栓形成或血管损伤的风险——以及在其他激光治疗过程中预防不良事件。

许多传统的反馈方法通过记录血流、心率及其他参数来间接估算温度，这在临床操作中对医生而言至关重要，却难以实现精准监测。Lightera平台通过与激光能量输送相同的光纤测量温度，专为接触点实现更紧密的闭环控制而设计。将传感与能量输送集成于同一光路，这种双重功能可降低系统复杂性，并支持开发用于血栓管理、血管重塑、激光取栓术及其他能量驱动血管治疗的新设备。

由于聚合物光纤具有柔韧性、生物相容性和易于操作的特点，因此在医学诊断和治疗中应用日益广泛。

激光的传输

光纤是激光能量传递的关键平台，能够实现紧凑、高效且高度稳定的光源。通过在光纤芯中掺入钇、铒或铥等稀土元素，使光纤本身成为增益介质，从而在柔性波导结构中实现光的放大。光纤激光系统长期以来被用于精密医疗操作，特别是在碎石术和动脉取石术等应用中。这些系统采用专门设计的多模光纤，可承受高峰值功率，并在反复脉冲下保持光束质量和耐用性。

铥是镧系元素中含量第二少的元素，长期以来被研究用于在1.7至2.2微米的安全眼区波段产生激光发射。掺杂铥的光纤激光器特别适用于医疗应用，因为其发射光在水中具有强吸收性，导致穿透深度有限。这种特性可最大限度减少暴露区域周围的损伤；此外，2微米波长辐射产生的凝固效应有助于降低手术过程中的出血风险。这些特点使得组织切割更加精准，并支持安全、微创的治疗操作。

（用于医疗应用中形状检测的ShapeScan和ShapeProbe。由FBGS提供。）

Coractive是一家总部位于魁北克的公司，专注于特种光纤和光纤激光解决方案的设计与制造。该公司采用先进材料、精细掺杂工艺以及精确的几何控制技术，生产掺铥光纤。新型DCF-TM-10/130-14光纤具有优化的芯层比，可在高功率泵浦的同时最大限度地减少非线性效应；其无支架设计有效抑制了寄生模态。130微米的包层确保了与标准泵浦合束器的兼容性，便于集成到高功率系统中，并在1940纳米波长下实现高达58%的效率和30瓦的输出功率，且无热衰减现象。

光纤也被广泛用于激光光的传输，为在短距离和长距离上高精度地输送光功率提供了灵活且高效的手段。Lightera公司专门设计了一种多模光纤，用于在医院及其他医疗设施等严苛环境中实现高功率激光传输。该光纤采用低氧含量、全硅基材料制成，并配有先进的氟丙烯酸酯（HCS）涂层和保护性缓冲层，HCXtreme光纤具有更强的机械强度和抗疲劳性能，可在高光功率下实现可靠运行。

HCXtreme 的一项关键创新在于其能够在极小弯曲条件下保持性能，显著降低使用过程中光纤断裂的风险——这对于微创医疗操作而言至关重要。其坚固的设计即使在较小弯曲半径下也能高效传输激光能量，因此非常适合用于激光手术、碎石治疗和美容治疗等需要高灵活性、耐用性和强功率处理的应用场景。

聚合物的潜力

由于聚合物光纤具有柔韧性、生物相容性以及易于操作的特点，其在医疗诊断和治疗中的应用日益广泛。其较大的芯径和较高的弯曲耐受性使其非常适合用于可穿戴传感器、微创设备以及短距离光传输系统。此外，聚合物光纤能够进行功能化处理，并与纺织品、水凝胶等软材料集成，为患者监测和个性化医疗提供了新的方法，尤其适用于柔性便携式医疗器械。

十多年来，总部位于丹麦的SHUTE传感解决方案公司一直致力于开发集成于光传输和传感系统中的聚合物光纤。该公司研发出一种微结构聚合物光纤传感器系统，可实时监测超细光纤沿线的应变/应力、湿度、温度和振动。SHUTE的光纤具有独特优势，包括易于定制（长度、直径、包层、芯结构和几何形状）、比市场上其他光纤更小的弯曲半径，以及最高达6%的伸长率。

SHUTE 与总部位于比利时的 Synergia Medical Medical 共同合作，开发高科技多聚物植入技术，并在首个此类研究项目 AURORA 中，将其开创性的 NAO.VNSNS 系统应用于患者体内，以评估该系统对难治性癫痫患者的治疗安全性。该系统是一种新型神经刺激装置，可通过刺激迷走神经来减少癫痫发作。神经刺激疗法已被临床证实为一种有效解决方案，是治疗难治性神经系统疾病的最后手段。Synergia Medical Medical 已公布令人鼓舞的初步成果。该治疗方式是在患者体内非金属封装中植入小型起搏器，向目标神经或脑细胞输送微弱电脉冲信号。SHUTE 的聚合物纤维是关键组成部分，可实现无需金属导体即可在体内传输信号。

光谱学中的光纤

便携式诊断技术得益于光纤光谱学与生物流体学的结合而得到极大发展。目前，全血分析已成为众多研究的重点方向。在这一检测方法中，吸收光谱技术被用于区分血液中重要成分的光谱特征，例如血红蛋白（负责在血液中运输氧气）、高铁血红蛋白（一种不携带氧气的血红蛋白形式）以及胆红素（红细胞分解后通过肝脏排出体内时形成的物质）。通过将这些关键成分的吸收光谱与患者血液中相应浓度进行关联，医护人员可以识别出贫血（血红蛋白偏低）和黄疸（胆红素过度积累）等疾病的早期迹象。

Ocean Opticsicsics 基于公司自主研发的 Ocean ST-UV 分光仪以及两根 QP450-1-XSRSR 高抗太阳光老化光学光纤，开发出一套检测系统。这些光纤具有 4500 微米的芯径，外覆不锈钢 BX BX BX 覆层，其材料组成可确保在暴露于太阳光时不会受到损伤，从而实现对紫外光的测量。该样品的紫外-可见吸收光谱表明，这一平台可用于监测与衰老及其他指标相关的血液变化。