对于大多数人来，肯定熟悉广泛使用的用来测量患者血氧含量（SpO2，以前称外围毛细管氧饱和度）的指夹式装置1。这种光学测量技术自 1980 推出以来就被广为采用。它完全改变了 SpO2 的测量方式，将以前耗时间、风险大的非实时抽血检验过程转变成一种平常的非侵入式实时测量方法。

当然，这种设备的开发是没那么快和轻松的。人们花费了数十年的时间进行研究和实验，收集血氧和光学特征数据，并进行算法开发。与此同时，还要开发具有一致性能的针对不同波长的 LED，以及互补光电晶体管。

如今，光学 SpO2 测试对大家来说都很好理解，有 IC 厂商为那些想要自己开发仪表的用户提供易于使用的 IC 和评估套件，例如 Maxim Integrated 的高集成度 MAX30102 血氧计和心率监测仪。其中包括整个模拟前端、管理功能和 I/O，并且受到 Maxim Integrated 的 MAX30102ACCEVKIT 评估套件支持。

图 1：Maxim Integrated 的 MAX30102 提供了一个高度集成的单 IC 解决方案，用于驱动 SpO2 装置的 LED，将其光电晶体管的输出数字化，并提供了一个 I/O 端口。（图片来源： Maxim Integrated）

虽然在将光学和电子学结合在一起改变医学检验个人和实验室使用方面，这无疑是最普遍的例子，但还有更多这样的例子。这项工作中的大头仍然是医用产品必须经过的实验和长资质认证期，但这些开发工作却是最吸引人和值得一看之处。

像 SpO2 血氧计这样最容易掌握的装置会使用 LED 或激光二极管，且通常会与光电晶体管结合使用。例如，密歇根州立大学的一个研究小组正在开发一种指尖装置，就是在光学传感器下面使用一个力传感器，来连续报告血压读数2。

虽然使用传统的手臂袖带方法获得血压读数仍然相当快，也是非侵入性和无风险的，但是这种方式不便于对这种重要的生命体征进行频繁读数，且监测装置也很显眼。

图 2：通过将蓝光源与宽视场显微镜和摄像机（右）结合一一起，MIT 的实验系统提供了一种基于指尖的白细胞自动计数能力。（图片来源：MIT）

并非所有光电医疗设备都只依赖 LED/激光二极管光源和一个或多个光学传感器；摄像机和图像分析也是强大的工具。MIT 的一个研究小组正在研究一种非侵入式的易用型近即时系统，用于评估接受化疗的患者的白细胞数3。他们的系统将宽视场显微镜与蓝光源结合在一起；蓝光可穿透至皮肤下方约 50 至 150 微米，并会反射回到连接显微镜的摄像机（图 2）。这种装置聚焦在指甲的底部，因为这里的毛细血管非常靠近皮肤表面并且非常窄，以至于白血细胞必须以单纵列形式通过，使得它们更容易计数。

MIT 的这个系统是一个基本电学和光学应用，但在基于光子的系统方面，也存在大量研究活动。基于光子的系统使用电子技术来进行控制和数据收收集，支持先进的光子技术。其中许多设计利用了像拉曼光谱这样的先进技术，这种技术依赖于单色光（通常来自可见光、近红外光或近紫外光范围的激光）的非弹性散射。激光会与分子振动、声子或系统中的其它激励源相互作用，引起激光光子能量（以及波长）上下变动。

这种能量或波长的变动反过来会产生许多数据，而数据又会提供结构图谱，然后通过结构图谱就可识别不同的分子。有了今天的技术，实现某种拉曼光谱系统不仅可行，而且实际上很简单。

在众多使用拉曼光谱的先进医疗系统中，有一种来自 Institut Fresnel（法国马赛）的无透镜内窥镜，可用于生物检测和成像。在这个系统中，有一个柔性空心纤维使用压电致动器将光线引导至内部目标器官，同时压电致动器也会捕获其频谱发射4, 5（图 3）。其目标是对恶性组织提供实时、无创的活体组织检查。

图 3：通过使用空心光纤将激光束传送到目标位置，并使用压电探针来引导光束，这种光子“活体组织检查”技术可以取代针刺式检测。4（图片来源：Institut Fresnel, via Laser Focus World）

与标准活体组织检查相比，后者必须用针切除一片被研究的组织，然后将这片组织进行化学稳定，脱水，嵌入蜡中，用选择性染料染色，最后在显微镜下进行检查。这个痛苦的过程要花费几天的时间，对病人也会造成精神、肉体和财务上伤害。

许多电气工程师都至少花了一些时间学习光学基础知识，包括透镜、光学波长、反射、折射、光源和传感器，这很必要，也是好事。现在，通过将这些概念与最新的 LED、激光二极管、光电二极管和光电晶体管结合起来，已经创造出了一些令人惊叹、使用广泛和适应性广的设备，例如手指 SpO2 传感器。

但今天的电光技术发展已不再只是光源与镜头的简单“线性”组合，还包括电子控制以及数据采集和分析技术。先进的物理和光子原理经常被运用到医疗仪器中，就在不久以前，要实现这些想法在很大程度上是不切实际的，甚至可能压根就想不到。因此，任何做仪器的工程师都需要研究这些新技术和技巧，这才是明智之举。

即使您目前未从事医学测试，但这些技术中有许多正在被其他测试和计量应用（化学、材料）所采用，并且存在大量交叉应用。最起码值得我们花点时间定期翻阅光子网站出版物，了解这些技术的研究现状、发展方向以及利用方式。