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光纤，人体健康新伙伴
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| 光纤，人体健康新伙伴 |
可植入人体的光纤针头 图片来源：百度图片
■本报见习记者 袁一雪
人们要重新认识一下光纤了。它不仅是人们上网的好伴侣，更可以应用在医疗领域，而且还能起到很大作用。\
提起光纤，人们最先想到的是去年网络运营商大张旗鼓宣传的光纤入户：用户只需更换一根光纤网线，就能大幅提升上网速度。不过，3月27日，《每日邮报》的一则新闻则提醒人们，要重新认识一下光纤了。它不仅是人们上网的好伴侣，更可以应用在医疗领域，而且还能起到很大作用。
长久以来，人们都没有彻底解决验血结果等待时间长的问题。这种看起来简单的检测，其背后的科学分析原理却极为复杂。这决定了有些更深层的血液检测需要更长时间才能等到结果。不过，最近科学家们认为，光纤可能会改善这一现状。
光纤辅助诊病优势多
《每日邮报》报道指出，在体内埋设光纤的道理和传输数据差不多，每根光纤大约只有一根头发丝那么粗，有内外两层涂层。光纤内核涂层为氧化锗，使光纤可以反射光，光通过光纤时以特定波长在光纤中来回反射，通过内层向外层传播。光纤外层的特殊化学涂层可以困住特殊分子——某些疾病特有的分子。光谱仪会探测到这些特殊分子，随后光会回弹至光纤内核。医生只需一台平板电脑大小的设备就能诊断疾病了。
暨南大学光子技术研究所副教授郭团在接受《中国科学报》记者采访时表示，光纤的优势很多。首先，光纤体积比较小，只有头发丝粗细；其次，光纤往往由二氧化硅或聚合物制成，其物化特性未定；再者，光纤具有高灵敏度以及免受电磁干扰的特性；而且，光纤还具有庞大的生物兼容性，能实现多点复用传感，即一根光纤在多个位置实现多个参量同时检测。“这些特点和优势决定了光纤在生物医学诊断领域具有重要的应用前景。” 他进一步解释说。
与目前芯片血检技术不同的是，这种光纤诊断技术不仅可以植入人体，不会被腐蚀，而且还能实时得出结果。
其实光纤应用于医疗领域由来已久。“人们经常接触的光纤应用就是胃镜了。”暨南大学光子技术研究所副教授金龙告诉《中国科学报》记者，“光纤往往被应用于探查位于血管内的斑块，因为光纤探头可以根据压力变化进行安全报告，从而找出斑块位置。”
光纤的广义与狭义
“我们生活中经常提到的网络光纤是狭义的，通常使用玻璃制造，具有良好的导光机制。”金龙解释道，“其实光纤包含多种，医用光纤一般比较软，属于有机物光纤。”
郭团表示，光纤植入人体实现人体体征参数的实时在线检测已有诸多报道和应用范例。为了改善传统石英光纤易折断的问题，研究人员已开始研制聚合物光纤（俗称塑料光纤），非常适合植入血管等人体微小通道。
2011年，美国麻省理工学院媒体实验室副教授Ed Boyden发明了一种把光纤植入大脑，并用光指令激活的方法。研究人员可以通过光的明暗变化，了解神经连接如何工作。通过这项技术描绘出一幅详尽的大脑神经连接图，供医学和脑科学研究使用。当时媒体报道时，Boyden已使用此技术描绘出了脑中认知和情绪反应时的连接图。也是在近几年，光纤还被应用于美容领域。光纤溶脂，就是利用等离子光热溶解理论的脂肪溶解技术，通过将脂肪细胞均匀液化，在人体的自然代谢时将其液化的脂肪排出体外。
“对于光纤探针长期‘埋设’于人体内而言，其关键技术在于如何解决光纤探针与光源和检测设备的有效连接问题，即如何解决为光纤探针提供光能量和有效获取光纤探测得到的光信息，这些设备不易与光纤集成于一体。”郭团表示，“不过，解决方法不是没有，辐照供能和无线接收就是解决途径之一。”
未来应用前景
Ed Boyden运用这种通过在脑细胞中嵌入光敏蛋白基因，从而得以用植入的光纤选择性地激活或抑制特定的神经原的方法，已经成功治愈了实验鼠的类似人类创伤后精神障碍那样的症状以及一些特定类型的失明症。他向媒体表示，未来，这一技术有望用于人体，通过连接大脑与人工肢干，让截瘫病人能如同自己的躯干一样使用假肢。另外，还有助于治疗癫痫等其他神经疾病。
郭团也认为，光纤应用前景广泛不仅体现在物理量、化学量和生物量上，它的另一个重要应用就是手术中的照明和成像，也就是人们所说的内窥镜。此外，光纤也可如纤维一样植入衣服，构成能够检测人体参数，比如温度、心率等的智能织物。
2013年，日本创价大学开发出了将“异质核心型”光纤作为传感器使用的心跳和呼吸测量技术。研究人员通过在寝具中缝入该光纤，测量睡眠时的呼吸等的情形。
异质核心型光纤是在部分光波导线插入纤芯直径不同的部分。在直径不同的位置，光的传输会变得不稳定，因此，从外部触碰光纤的话，传输的光量会发生变化。如果能在光纤顶端用光电二极管检测出这一变化，就可以作为传感器使用。而且，东京大学生产技术研究所等开发出了把光的强度会随血糖值变化的传感器植入小鼠耳内、通过从体外照射光来测量血糖值的技术。今后，这些技术的扩展技术将得到进一步开发。
延伸阅读
话说光纤
光纤全称是光导纤维，由华裔物理学家高锟发明。它是一种光在玻璃或塑料制成的纤维中，以全反射原理传输的光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常光纤一端的发射设备使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤另一端的接收设备使用光敏组件检测脉冲。包含光纤的线缆称为光缆。
光导纤维是双重构造，核心部分是高折射率玻璃，表层部分是低折射率的玻璃或塑料，光在核心部分传输，并在表层交界处不断进行全反射，沿“之”字形向前传输。这种与头发差不多粗细的纤维，要有折射率截然不同的双重结构分布，是一个非常惊人的技术。各国科学家经过多年努力，创造了内附着法、MCVD法、VAD法等等，制成了超高纯石英玻璃，特制成的光导纤维传输光的效率有了非常明显的提高。现在较好的光导纤维，其光传输损失每公里只有0.2分贝；也就是说传播一公里后只损失4.5％。
光纤主要分为两类，渐变光纤（graded-index fiber）与突变光纤（step-index profile）。前者的折射率是渐变的，而后者的折射率是突变的。另外还分为单模光纤及多模光纤（multi-mode optical fiber）。后来，又有新的光子晶体光纤问世。
由于光在光导纤维的传输损失比电在电线传导的损耗低得多，更因为主要生产原料是硅，蕴藏量极大，较易开采，所以价格很便宜，促使光纤被用作长距离的信息传递工具。随着光纤的价格进一步降低，光纤也被用于医疗和娱乐的用途。
《中国科学报》 (2014-04-11 第16版 探索)
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