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. Il Dr. Giovanni Vinci, Senior Consultant di MET Fibre Ottiche spiega come la fibra ottica venga sempre più utilizzata nella sensoristica per le applicazioni medicali.
Applicazioni dei sensori biomedici tramite fibra ottica
Applicazioni di imaging endoscopiche tramite fibre ottiche sono oramai molto note e applicate, ma le caratteristiche fisiche intrinseche delle fibre ottiche le rendono anche 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. Sensori in fibra ottica (FOS) possono eseguire rilevazioni multi punto a distanza e multi parametriche. 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.
Sensori in fibra ottica per le applicazioni medicali
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.
Sensori in fibra ottica ad azione intrinseca o estrinseca
I sensori in fibra ottica possono essere ad azione intrinseca o estrinseca. In un sensore ad 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. In un sensore ad azione estrinseca, la perturbazione agisce su un trasduttore e la fibra ottica semplicemente trasmette luce dalla posizione di rilevamento.
Quattro tipi principali di sensori in fibra ottica
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.
Sensori fisici, di imaging, chimici, e biologici
Sensori fisici misurano una varietà di parametri fisiologici, come la temperatura corporea, la pressione sanguigna, e lo spostamento del muscolo. Sensori di immagini 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. Sensori chimici 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. I sensori biologici 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. I sensori a fibra ottica per la misurazione di parametri fisici sono a seguire i più diffusi. Quelli meno sviluppati sono i sensori per il rilevamento biochimico, anche se molti concetti sui FOS sono stati dimostrati.
Sensori sicuri, affidabili, altamente stabili, biocompatibili
I sensori biomedici presentano sfide progettuali uniche e particolari problemi legati alla loro uso con un organismo biologico. I sensori devono essere sicuri, affidabili, altamente stabili, biocompatibili, suscettibili di sterilizzazione in autoclave, non inclini al rifiuto biologico, e senza calibrazione (o almeno devono mantenere la calibrazione per lunghi periodi). Le dimensioni del sensore sono un aspetto particolarmente critico poiché i dispositivi devono essere molto piccoli, in particolare quelli per l’impianto permanente. I dispositivi devono essere il più semplici possibile.
Sensori biomedici per la cura diagnostica, terapeutica o intensiva
Le domande di sensori biomedici possono essere classificate come in vivo o in vitro. Con l’espressione “in vivo” si intende l'applicazione su un intero organismo, come un paziente umano vivente; “in vitro” si riferisce a test esterni, per esempio analisi del sangue di laboratorio. In base a come i sensori vengono applicati, possono essere classificati come non invasivi, a contatto (sulla superficie della pelle), minimamente invasivi, o invasivi (impiantabile). I sensori biomedici possono essere utilizzati nell'uomo (clinici), negli animali (veterinari), o altri organismi viventi (scienze della vita), e, a seconda della destinazione d'uso, possono essere utilizzati per la cura diagnostica, terapeutica o intensiva, per usi in applicazioni cliniche, ricerca e sviluppo pre-clinico, o prove di laboratorio.
Sensori biomedici in fibra ottica nel mercato medicale
Uno dei primi pionieri di sensori biomedici in fibra in 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.
Sensori di pressione e temperatura in fibra ottica per strutture mediche
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 per strutture 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 (Vástra Fràlunda, 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, è probabile che il numero e la diversità di FOS biomediche aumenteranno.
Sensori in fibra ottica per strumenti medici e bracci robotici
Tra i più recenti sforzi di sviluppo vi 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 delle 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).
Sensori per catetere intra-aortico
Un altro nuovo prodotto FOS rilevante negli studi preventivi 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. Il controllo della 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.
