Ermand Mertenika: Aplikimi i fibrave optike në shëndetësi

Ermand Mertenika: Inxhinier Biomjekësor

Me një popullsi globale që po rritet dhe po jeton më gjatë, ofruesit e kujdesit shëndetësor në botë po kërkojnë gjithnjë e më shumë instrumente të avancuara biomjekësore për të mundësuar diagnostikimin, monitorimin dhe trajtimin më efikas të pacientëve. Në këtë kontekst, aplikimet ndijuese biomjekësore të fibrave optike janë të një rëndësie në rritje. Në të njëjtën kohë, përparimet e fundit në kirurgjinë minimale invazive (MIS) kërkojnë kateterë më të vegjël sensorë të disponueshëm.

Aplikimet endoskopike të imazhit të fibrave optike janë të vërtetuara mirë, por karakteristikat fizike të brendshme të fibrave optike i bëjnë ato jashtëzakonisht tërheqëse për sensorin biomjekësor. Fibrat pa kabllo (zakonisht me diametër më pak se 250 μm) mund të futen direkt në gjilpëra dhe kateterë hipodermikë, në mënyrë që përdorimi i tyre të jetë minimalisht invaziv dhe shumë i lokalizuar, dhe sensorët e fibrave optike (FOS) të prodhuara me to mund të kryejnë shumë pika dhe shumë parametra në distancë. Fijet optike janë imune ndaj ndërhyrjeve elektromagnetike (EMI), kimikisht inerte, jo toksike dhe në thelb të sigurta. Përdorimi i tyre nuk do të shkaktojë ndërhyrje me elektronikën konvencionale që gjendet në teatrot mjekësore.

Sensorë biomjekësorë me fibër optike

Sensorët e fibrave optike përfshijnë një burim drite, fibër optike, dhënës të jashtëm dhe fotodetektor. Ata kuptojnë duke zbuluar modulimin e një ose më shumë vetive të dritës që udhëhiqet brenda fibrës – për shembull intensiteti, gjatësia e valës ose polarizimi. Modulimi prodhohet në një mënyrë të drejtpërdrejtë dhe të përsëritshme nga një shqetësim i jashtëm i shkaktuar nga parametri fizik që do të matet. Matja e interesit nxirret nga ndryshimet e zbuluara në vetinë e dritës.

Sensorët e fibrave optike mund të jenë të brendshëm ose të jashtëm. Në një sensor të brendshëm, drita nuk largohet kurrë nga fibra dhe parametri i interesit ndikon në një veti të dritës që përhapet nëpër fibër duke vepruar drejtpërdrejt në vetë fibrën. Në një sensor të jashtëm, shqetësimi vepron në një transduktor dhe fibra optike thjesht transmeton dritë në dhe nga vendndodhja e sensorit.

Shumë mekanizma të ndryshëm ndijues të fibrave optike janë demonstruar tashmë për aplikime industriale dhe disa për aplikime biomjekësore, ndër të cilat janë grilat e fibrave Bragg (FBG), zgavrat Fabry-Perot ose sensorë të interferometrit me fibra të jashtme Fabry-Perot (EFPI), valë evanescent, interferometër Sagnac, interferometër Mach-Zehnder, mikrobend, fotoelastik dhe të tjerë. Megjithatë, deri tani më të zakonshmet bazohen në EFPI dhe FBG. Sensorët spektroskopikë të bazuar në thithjen e dritës dhe fluoreshencën janë gjithashtu të zakonshëm. FOS biomjekësore mund të kategorizohet në katër lloje kryesore: fizike, imazherike, kimike dhe biologjike.

Sensorët fizikë matin një sërë parametrash fiziologjikë, si temperatura e trupit, presioni i gjakut dhe zhvendosja e muskujve. Sensorët e imazherisë përfshijnë pajisje endoskopike për vëzhgim dhe imazhe të brendshme, si dhe teknika më të avancuara si tomografia e koherencës optike (OCT) dhe imazhi fotoakustik, ku skanimet e brendshme dhe vizualizimi mund të bëhen pa ndërhyrje. Sensorët kimikë mbështeten në teknikat fluoreshence, spektroskopike dhe treguese për të identifikuar dhe matur praninë e komponimeve të veçanta kimike dhe variablave metabolikë (si pH, oksigjeni në gjak ose niveli i glukozës). Ata zbulojnë lloje specifike kimike për qëllime diagnostikuese, si dhe monitorojnë reaksionet kimike dhe aktivitetin e trupit. Sensorët biologjikë priren të jenë më kompleks dhe mbështeten në reaksionet e njohjes biologjike – të tilla si substrati enzimë,

Për sa i përket zhvillimit të sensorëve, sensorët bazë të imazhit janë më të zhvilluarit. Sensorët e fibrave optike për matjen e parametrave fizikë janë më të përhapurit e radhës, dhe zona më pak e zhvilluar për sa i përket produkteve të suksesshme janë sensorët për sensorin biokimik, edhe pse shumë koncepte FOS janë demonstruar.

Kërkesat dhe aplikimet

Sensorët biomjekësorë paraqesin sfida unike të projektimit dhe probleme të veçanta që lidhen me ndërfaqen e tyre me një organizëm biologjik. Sensorët duhet të jenë të sigurtë, të besueshëm, shumë të qëndrueshëm, biokompatibël, të përshtatshëm për sterilizimin dhe autoklavimin, jo të prirur ndaj refuzimit biologjik dhe të mos kërkojnë kalibrim (ose të paktën të ruajnë kalibrimin për periudha të gjata). Paketimi i sensorëve është një aspekt veçanërisht kritik pasi pajisjet duhet të jenë shumë të vogla—veçanërisht ato për qëllime implantimi ose banimi. Pajisjet gjithashtu duhet të jenë sa më të thjeshta të jetë e mundur.

Aplikimet për sensorë biomjekësorë mund të klasifikohen si in vivo ose in vitro. In vivo i referohet aplikimit në një organizëm të tërë të gjallë – si për shembull një pacient njerëzor; in vitro i referohet testimit jashtë trupit – siç janë testet laboratorike të gjakut. Nga këndvështrimi i mënyrës se si sensorët aplikohen në një pacient ose sistem biologjik, ato mund të klasifikohen si joinvazive, kontaktues (sipërfaqja e lëkurës), minimalisht invazive (të qëndrueshëm) ose invazive (të implantueshëm). Sensorët biomjekësorë mund të përdoren te njerëzit (klinik), te kafshët (veterinar) ose organizma të tjerë të gjallë (shkencat e jetës) dhe, në varësi të përdorimit të synuar, mund të përdoren për përdorime diagnostikuese, terapeutike ose të kujdesit intensiv në aplikime klinike; kërkimi dhe zhvillimi paraklinik; ose testim laboratorik.