Le applicazioni basate su sensori e spettroscopiche aiutano nella diagnosi precoce e riducono i costi del trattamento.
Per consentire diagnosi, monitoraggio e trattamento dei pazienti più efficaci, l’industria medicale sta sviluppando una strumentazione biomedica sempre più avanzata e, in particolare, sta riscuotendo un certo interesse l’impiego della fibra ottica nella sensoristica per applicazioni medicali. Allo stesso tempo, i recenti progressi nella chirurgia mini-invasiva (MIS) richiedono sensori sempre più piccoli da utilizzare con cateteri o tramite aghi usa e getta. In questo frangente, le caratteristiche fisiche intrinseche delle fibre ottiche rendono le stesse estremamente attraenti per il rilevamento biomedico: fibre non cablate (in genere meno di 250 micron di diametro) possono essere inserite direttamente in aghi ipodermici e/o cateteri, in modo che il loro impiego può essere minimamente invasivo e altamente localizzato. Le fibre ottiche sono immuni alle interferenze elettromagnetiche (EMI), chimicamente inerte, non tossiche e a sicurezza intrinseca. Il loro utilizzo non causa interferenze con l’elettronica convenzionale di molti ambienti medici chirurgici. E, soprattutto, l’immunità delle fibre ottiche a frequenze elettromagnetiche e radio (RF) li rende ideali per l’utilizzo in tempo reale durante la diagnostica per immagini con la risonanza magnetica, TAC, PET, o sistemi SPECT, così come durante i trattamenti ablativi termici che coinvolgono RF o radiazione a microonde.
I sensori in fibra ottica comprendono una sorgente di luce per fibre ottiche, trasduttore esterno, e foto rivelatore. Rilevando la modulazione di una o più delle proprietà della luce che viene guidata all’interno della fibra, sentono intensità, lunghezza d’onda, o la polarizzazione, per esempio. La modulazione è prodotta in modo diretto e ripetibile da una perturbazione esterna causata dal parametro fisico da misurare. Il misurando di interesse è dedotto dalle variazioni rilevate nella proprietà luce.
I sensori in fibra ottica possono essere ad azione intrinseca o estrinseca.
Azione intrinseca: la luce non lascia mai la fibra e il parametro di interesse colpisce una proprietà della luce propaga attraverso la fibra agendo direttamente sulla fibra stessa;
Azione estrinseca: la perturbazione agisce su un trasduttore e la fibra ottica semplicemente trasmette luce dalla posizione di rilevamento.
Molti e diversi meccanismi di rilevamento in fibra ottica sono stati dimostrati già per applicazioni industriali, e alcuni per applicazioni biomediche tra i quali reticoli di Bragg (FBG), cavità Fabry-Perot o fibra esterna Fabry-Perot sensori (EFPI), onda evanescente, Sagnac interferometro Mach-Zehnder interferometro, Microbend, fotoelastica, e altri. Di gran lunga il più comune, tuttavia, si basano su EFPIs e FBG. Sensori spettroscopici sulla base di assorbimento della luce e fluorescenza sono comuni. FOS biomedici possono essere classificati in quattro tipi principali: fisico, di imaging, chimici e biologici.
Misurano una varietà di parametri fisiologici, come la temperatura corporea, la pressione sanguigna, e lo spostamento del muscolo.
Comprendono entrambi i dispositivi endoscopici per l’osservazione interna e di imaging, così come le tecniche più avanzate, come la tomografia a coerenza ottica (OCT) e l’imaging fotoacustico dove scansioni interne e la visualizzazione possono essere fatte in modalità non intrusive.
Affidano a fluorescenza, spettroscopica e tecniche indicatore per identificare e misurare la presenza di particolari composti chimici e variabili metaboliche (quali pH, ossigeno nel sangue, o livello di glucosio). Essi rilevano specie chimiche specifiche per scopi diagnostici, e permettono di monitorare le reazioni chimiche del corpo e l’attività.
Tendono a essere più complessi e si basano su reazioni-tale riconoscimento biologici come enzima-substrato, antigene-anticorpo, o ligando-recettore per identificare e quantificare specifiche molecole biochimiche di interesse.
In termini di sviluppo , i sensori per applicazioni di immagini di base sono le più sviluppate. Seguono per diffusione i sensori a fibra ottica per la misurazione di parametri fisici. La zona meno sviluppata, in termini di prodotti di successo sono i sensori per il rilevamento biochimico, anche se molti concetti sui FOS sono stati dimostrati.
I sensori biomedici presentano sfide progettuali uniche e particolari problemi legati alla loro interfaccia con un organismo biologico. I sensori devono essere sicuri, affidabili, altamente stabili, biocompatibili, suscettibili di sterilizzazione in autoclave, non inclini al rifiuto biologico, e non richiedere calibrazione (o almeno mantenere calibrazione per lunghi periodi). L’imballaggio del sensore è un aspetto particolarmente critico poiché i dispositivi devono essere molto piccoli in particolare quelli per l’impianto o scopi permanenti. I dispositivi devono essere il più semplici possibile.
Uno dei primi pionieri di sensori biomedici fibra ottica, Camino Labs (San Diego, CA), nel 1984 ha introdotto nel mercato medicale un sensore di pressione intracranica (ICP) che da allora è diventato uno dei sistemi di monitoraggio più comunemente usati ICP nel mondo. Il dispositivo si basa su un’intensità modulante regime fibra ottica basandosi su un soffietto in miniatura come il trasduttore.
Altri pionieri del sensore sono Luxtron (Santa Clara, CA, ora parte di LumaSense) con il suo sensore di temperatura fluoroptic, e FISO (Quebec City, QC, Canada), che si è posizionata come leader nella fornitura di sensori di pressione e temperatura in fibra ottica mediche. I sensori di FISO si basano su dispositivi EFPI interrogati con il bianco-luce interferometria. Tra una nuova generazione di aziende sono Opsens, Neoptix (sia a Quebec City, QC, Canada), e Samba sensori (Västra Frölunda, Svezia). Di gran lunga, i FOS medici più comuni sul mercato sono i monitor di temperatura e pressione, ma una manciata di altri sensori e strumenti diversi esiste. Poiché i costi cadono e si sviluppano nuove tecniche di rilevamento, probabile che il numero e la diversità di FOS biomediche aumenteranno.
Tra i più recenti sforzi di sviluppo sono sistemi di rilevamento di forma che utilizzano matrici di FBG disposte lungo multicore, fibre monomodali. Le FBGs sposteranno lunghezze d’onda di picco in risposta alla deformazione e curvatura sollecitazioni prodotte durante la piegatura. Gli array in fibra
consentono di determinare con precisione la posizione e la forma di strumenti medici e bracci robotici utilizzati durante MIS. Le aziende che perseguono tali sviluppi sono Hansen Medical (Mountain View, CA), Intuitive Surgical (Sunnyvale, CA), Luna Innovations (Roanoke, VA), misurando (Fredericton, NB, Canada), e Technobis (Uitgeest, Paesi Bassi).
Un altro nuovo prodotto FOS rilevante negli studi preventiva è la Endosense (Ginevra, Svizzera) TactiCath catetere forza-sensing. Fiber Bragg sensori griglie sono montati sulla punta di un catetere intra-aortico che serve anche come sonda di emissione del laser-ablation per il trattamento della
fibrillazione atriale. I FBGs rilevano la forza esercitata contro la parete cardiaca dalla tensione indotta su di loro (vedi Fig. 3). controllo di forza è essenziale per la fornitura di adeguati impulsi ablazione laser necessari per produrre le lesioni che sono indotti nelle pareti del cuore per ridurre
l’attività elettrica anomala.
Il mercato di rilevamento biomedicale rappresenta un’opportunità redditizia e in crescita per il FOS, in particolare per i grandi volumi di sonde monouso. La richiesta di più dispositivi di monitoraggio del paziente si combina con una tendenza verso la chirurgia mini-invasiva, che a sua volta richiede
una varietà di dispositivi medici minimamente invasivi e monouso, sensori monouso di piccole dimensioni che possono essere incorporati in cateteri e endoscopi-una misura ideale per sensori a fibra ottica. Vi è anche un’opportunità indiscutibile per FOS come sensori EMI-compatibili per
monitorare i segni vitali durante l’uso della risonanza magnetica (e relative tecniche), così come i trattamenti RF.
BCC Research (Wellesley, MA) stima che il mercato degli Stati Uniti per i dispositivi di monitoraggio del paziente per un valore di $ 3,6 miliardi di 2007 e per raggiungere $ 5,1 miliardi di 2013. I sensori monouso (e altri materiali di consumo) porzione del mercato è stato stimato a $ 2,6
miliardi nel 2007 e di raggiungere ~ $ 3,4 miliardi del 2013. La quota FOS di questo mercato globale è piccolo e si stima essere intorno ai $ 100 milioni. Tuttavia, il potenziale è enorme e sensori biomedici fibra ottica offrono funzionalità e caratteristiche che non possono essere altrimenti ottenibili. Rimane un ostacolo, tuttavia, così come i cicli di sviluppo lunghi e processo di regolamentazione necessaria. progettazione e lo sviluppo del sensore non è banale, e
la selezione del materiale corretto, il design, la biocompatibilità, la sicurezza del paziente, e altre questioni devono essere presi in acconto. Tuttavia, ci sono già diversi prodotti di successo sul mercato e di più ce ne saranno a venire.
