浅析红外探测器在医疗领域上的应用

据麦姆斯咨询介绍，波兰红外探测器及配套偏置和前置放大电路专业供应商VIGO System的中红外（MWIR）和远红外（LWIR）探测器及探测模组可以用于广泛的生物学、生物技术和医学应用，包括人体呼吸分析、无创血液检测、牙科、药学以及蛋白质成分分析等。

1、人体呼吸分析

人体呼吸分析已成为一个重要的医学研究领域。人体呼出的气体中含有3000多种物质，其中很多物质的浓度跟个体的健康状况息息相关。

这些物质被称为生物标志物，可用于人体各种疾病或病理过程的诊断。

人体呼吸分析是一种优良的筛查方式，因为它快速、无创且无痛。不过，由于人体呼吸中生物标志物的浓度较低，需要采用高分辨率的测量技术和高灵敏度的探测器。

红外探测器已广泛应用于呼吸分析设备的研制。与其他技术相比，基于中红外激光吸收光谱的痕量气体传感具有更快的响应时间。

表1 红外探测器检测的呼吸生物标志物

A. Sensormed呼吸分析仪

这套光电传感系统利用激光吸收光谱技术和VIGO红外探测模组开发，用于识别某些疾病的生物标志物，例如：哮喘、心绞痛、胃病以及血液中胆红素水平相关疾病，包括吉尔伯特综合征、杜宾-约翰逊综合征、Rotor综合征、克里格勒-纳杰尔综合征等。

这套传感系统由五个功能模块构成：

● 采样系统–呼吸收集

● 调节系统–气体样品制备

● CEAS（腔增强吸收光谱）传感器 - 检测

● 双光谱MUPASS（多通道吸收光谱系统）传感器 - 检测

● 信号处理系统-数据分析

Sensormed光电传感呼吸分析仪

病人呼出的气体由采样系统采集。根据ATS/ERS标准，它能够以“在线”或“离线”模式工作。

在制备气体样品的调节系统中，会对样品进行额外处理，包括：去除水分、产生负压并提供适当的气流速度。

该系统的CEAS传感器检测一氧化氮（NO）气体，采用QCL激光器（λ= 5.26 μm）和VIGO高灵敏度红外探测模组，检测限约30 ppb。为了检测识别甲烷（CH4）和一氧化碳（CO）气体，系统采用了一个具有多通道检测池的双光谱MUPASS传感器。

甲烷气体的检测限（λ=2.2536 μm）为100 ppb，一氧化碳气体（λ=2.336 μm）为400 ppb。来自传感器的信号由接口模块记录，并传输到信号处理系统（计算机和软件），信号输入后进行可视化并提供分析结果。

B. 肝功能检测

准确评估肝功能，对肝外科、肝移植、肿瘤学和肝病学都有重要意义。Methacetin呼气检测是一种安全、准确分析慢性肝病患者肝功能的诊断工具。

这种动态肝功能试验检测基于¹³C- Methacetin代谢。Methacetin由肝脏特异性肝细胞色素P450 1A2系统代谢为对乙酰氨基酚和¹³C-甲醛，然后经过多步快速酶促形成¹³CO2，随后通过血流输送到肺部呼出。

通过持续测量¹³CO2/¹²CO2比值，可以评估个体的肝功能。

¹³C- Methacetin呼吸检测的原理

C. ¹³C-尿素呼吸试验检测对幽门螺杆菌感染的诊断

尿素呼气试验，是非侵入性鉴定幽门螺杆菌感染最重要的方法之一。它基于幽门螺杆菌将尿素转化为二氧化碳和氨。患者摄入标记非放射性¹³C-尿素，在10~30分钟内，呼出气体中存在同位素标记的¹³CO2，意味着尿素被分解。表明患者胃里存在幽门螺杆菌用来代谢的尿素酶，从而判定存在幽门螺杆菌。

¹³C-尿素呼吸试验检测幽门螺杆菌的原理

2、无创体内血糖传感

无需刺破指尖采血的血糖传感装置，可以帮助糖尿病患者无创测量血糖水平，从而大大提高糖尿病患者的生活质量。此外，这种装置还可以帮助健康人群监测和管理他们的血糖水平，以维持健康积极的生活。

葡萄糖等许多分子在中红外区域表现出强烈的共振。与近红外区相比，中红外区的葡萄糖吸收特征更容易与其它竞争性吸收相区分。

在体内血糖传感中，中红外辐射应用的主要挑战是水分较高的吸收性，使其穿透皮肤的深度受到限制。

利用QCL光谱进行中红外无创血糖皮肤测量的原理

将脉冲QCL光谱（调谐范围8~10 μm）辐射集中在人体皮肤上，然后，光被葡萄糖分子吸收，并从人体皮肤的真皮层反向散射。然后，反射光储存在一个小型积分球中，通过VIGO TE制冷型长波红外探测器检测。

3、牙科应用

A. 蛀牙的早期发现

传统的龋齿检测方法包括X线造影和CT等，但它们对早期龋齿的检测不够实用。

如果早期诊断出龋齿，在更多牙齿被破坏之前，再矿化治疗可以避免蛀牙并稳定或逆转龋齿病变。从而消除进一步的侵入性治疗。

红外探测在龋齿早期检测中的应用

当低功率脉冲激光照射到牙齿上时，系统可以测量牙齿释放的辉光（发光）和热量（光热辐射）。

激光辐射在与蛀牙和健康牙齿相互作用时，它们的反应是不同的。通过这种差异，可以检测小到50 μm，齿面以下不超过5 mm的病灶。红外激光照射到牙釉质和牙本质上会转化为热量，使牙齿的温度升高约1摄氏度。这种轻微的温度升高对牙髓或牙齿神经的健康或完整性几乎没有影响。通过改变激光脉冲的循环频率，可以探测牙釉质或牙本质内部的不同深度。

VIGO中红外探测器可以捕捉牙齿发出的热辐射，并测量热传播的距离，以提供有关牙齿深层区域的信息。另一部分激光能量会转化为可见光，可以通过普通的光电探测器进行分析。

B. 无麻醉CO2激光牙科手术

激光牙科手术利用精确聚焦的激光光源治疗各种牙科疾病。与钻头和其他非激光工具相比，它为涉及软、硬组织的牙科手术提供了一种经济、高效且舒适的治疗方案。

软组织指牙龈，硬组织指牙齿。硬组织CO2激光可以穿透牙齿结构，口腔中的水和牙齿中特定矿物质会吸收部分激光辐射。这种激光手术可以用来塑形牙齿，为复合粘接做牙齿准备，修复磨损的牙齿填充物，并除去一些牙齿结构等。

在许多病例中，激光手术可以在无需局部麻醉的情况下，有助于牙洞准备和龋齿结构的去除。手术激光器必须符合辐射安全性能标准。VIGO长波红外探测器可以帮助精确控制和安全操作牙科手术激光器。
编辑：lyn