Forskere udvikler en lille sensor til at måle subtile trykændringer inde i kroppen

Forskere har udviklet en ekstremt følsom miniaturiseret optisk fibersensor, som en dag kan bruges til at måle små trykændringer i kroppen.

"Vores nye tryksensor er designet til medicinske applikationer og overvinder mange af problemerne med at bruge silica-baserede fibre, " sagde forskerholdsleder Hwa-Yaw Tam fra Hong Kong Polytechnic University. "Det er følsomt nok til at måle trykket inde i lungerne, mens du trækker vejret, som ændres med blot et par kilopascal."

Forskerne beskriver deres nye optiske fibersensor i tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver . Sensoren, som er baseret på et fiber Bragg-gitter (FBG) indskrevet i en fiber lavet af en ny polymer kaldet Zeonex, var i stand til at registrere trykændringer på blot 2 kilopascal.

"Vores FBG-sensor kan bruges i forskellige medicinske applikationer, fordi ud over dets biokompatibilitet, fiberen er kemisk inert og heller ikke følsom over for fugt, " sagde Tam. "Vores ultimative mål er at bruge disse typer sensorer til at overvåge forskellige parametre - inklusive tryk, temperatur og belastning - inde i dyr og mennesker."

At lave en polymersensor

Mange fiberoptiske sensorer er baseret på FBG'er, bittesmå periodiske mikrostrukturer, der kan indskrives på en fiber. Når trykket stiger strækker fiberen sig lidt, at øge gitterperioden på en måde, der ændrer dets brydningsindeks og flytter lysoutputtet mod den røde ende af spektret. Tilsvarende et fald i trykket giver et blåt skift.

At lave en FBG-sensor fra en traditionel optisk silicafiber er ikke ideel til medicinske applikationer, især dem, der involverer langvarig brug i kroppen, fordi disse fibre udviser en relativt høj stivhed og kan være skøre. FBG'er indlejret i silicafibre har også begrænset følsomhed over for små trykændringer, fordi materialet ikke strækker sig og trækker sig sammen meget let. Selvom der er udviklet optiske polymerfibre, de har en tendens til at absorbere vand - hvilket kan påvirke målinger - og er ikke særlig nemme at indskrive med en FBG.

For at overvinde disse forhindringer, forskerne henvendte sig til den avancerede polymer Zeonex. Dette nye materiale er ikke kun kemisk inert og fungerer godt i de vandige miljøer som dem, der findes i kroppen, men udviser også et højere lysskifte som reaktion på en trykændring sammenlignet med silicafibre. Selvom stoffer kaldet dopingmidler ofte bruges til at fremstille materialer med forskellige brydningsindekser til den indre kerne og udvendig beklædning af fibre, forskerne forenklede fremstillingsprocessen ved at bruge forskellige kvaliteter af Zeonex til at lave en enkelt-materiale fiber.

"Ved at eliminere brugen af ​​dopingmidler kan de optiske fibre fremstilles med god reproducerbarhed, " sagde Tam. "Vi var i stand til at bruge en excimer-laser til nemt at indskrive FBG'en og tilføje et sidehul, der løber parallelt med kernen. Sidehullet forbedrede trykmålingsfølsomheden og reducerede forsinkelsen markant, giver derfor bedre målenøjagtighed."

Høj opløsning, reproducerbare aflæsninger

For at demonstrere den nye sensor, forskerne sammenlignede dens ydeevne med en traditionel polymerbaseret sensor af lignende design. Sensorerne blev placeret inde i et kammer, hvor trykket manuelt blev øget og reduceret trin for trin over og under det atmosfæriske tryk. Det tilsvarende lysskifte blev overvåget i realtid for begge sensorer.

De fandt ud af, at de Zeonex-baserede sensorer med sidehulsdesignet producerede en respons, der var lineær, gentagelig og havde ubetydelig forsinkelse eller fejl. Testene viste, at sensoren kan bruges til lavtryksmåling op til 50 kilopascal over eller under atmosfærisk tryk med en opløsning på 2,0 kilopascal. Følsomheden af ​​trykmålingen er øget med 80 % sammenlignet med en traditionel polymerbaseret sensor.

"Tryksensoren er mest anvendelig under forhold, hvor trykændringen er i størrelsesordenen få kilopascal over og under det atmosfæriske tryk, " sagde Tam. "Det kunne være nyttigt til lavtryksregistrering i medicinske og højtliggende miljøer samt til at detektere trykændringer i gasformige beholdere."

Forskerne arbejder nu på at reducere sensorens responstid yderligere, hvilket i øjeblikket er få tiere sekunder. De ønsker også at udvide sensoren til at måle andre fysiske og kemiske parametre såsom pH og til at funktionalisere sonden, så den kan detektere trykket af en bestemt gas.