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超微型光纤传感器尺寸仅为0.23mm,佰为深有何底气在医疗领域先行一步?

作者:陈婕 2021-09-23 08:00

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早期光纤传感器主要应用于通讯领域,后来随着光纤传感技术的发展,光纤温度传感器、压力传感器、位移传感器等逐渐在化工、桥梁、军事等领域得到广泛应用。据ElectroniCast公司预测,全球光纤传感器的市场规模将从2019年的54.8亿美元快速增长到2027年的96亿美元。但在医疗行业中,光纤传感器还算是“新面孔”。

 

在整个医疗市场中,包括颅内、泌尿、肺动脉、门静脉、呼吸、肾内、眼压等领域,光纤传感器都有“用武之地”。颅内压是神经外科的一项重要监测指标,常用于评估重度脑损伤患者的颅内情况,以指导下一步治疗。因此,神经外科常会用到压力传感器。此外,肾内科开展激光碎石手术、泌尿科对患者进行动态尿液监测、眼科监测眼压都会使用传感器,医院多个科室对传感器的需求都比较大。

 

在实际应用中,光纤传感器常被集成到压力导丝上,用于测量人体内压力、温度等参数,为医生诊断提供具体数据。同时,企业还利用MEMS工艺制作微型传感器,能在缩小传感器体积的同时提高测量精度。中国MEMS传感器行业销售规模排名全球第一,占全球比重达超50%。但国内的MEMS光纤传感器发展较晚,国产企业分散,市场集中度低。

 

作为全国第一家和目前唯一一家同时拥有MEMS光纤传感器和FFR压力导丝技术的内资企业,佰为深站在了FFR市场的前端。在全球范围内,仅有两家企业同时拥有这两项技术。

 

该企业利用白光干涉和扫描光谱的光纤传感解调技术,采用MEMS工艺生产超微型点式光纤传感器,尺寸仅为0.23mm。在FFR市场中,佰为深更是先人一步,成为国内首家提供微型光纤FFR系统的企业,该产品此前已获得FDA认证。由于掌握核心的MEMS光纤传感器和FFR压力导丝技术,佰为深生产的FFR压力导丝采取一体化设计,最大限度地降低了生产成本

 

掌握高壁垒MEMS光纤传感技术,研发超微型光纤传感器


既然微型光纤传感器在医疗、工业领域应用面广泛,为何国内市场参与者寥寥无几?首先,光纤传感器在近一、二十年才发展起来,国内参与者技术积累不足。其次,MEMS工艺是个烧钱的“火炉”,没有一定的资金、时间积累,企业并不敢随意踏入市场。

 

佰为深正好满足这两方面条件,公司创始人张立喆深耕光纤传感器领域15年,带领着一批来自厦大、南开、帝国理工学院的光纤传感及MEMS传感工艺人才。而且,该公司已完成数千万元的Pre-A轮融资。因此,在已有技术、资源的累积下,佰为深研发的超微型光纤传感器,具有世界领先性,尺寸小、精度高、稳定性好,而且不受电磁干扰。

 

经过几十年的发展,以电信号为基础的机电式传感器已经发展得比较成熟。但在有强电磁干扰或易燃易爆的情况下,这类传感器会受到很大限制。而且这类机电式传感器可能需要十几种材料制成,制作过程复杂。与之相比,佰为深的微型光纤传感器不仅体积小,便于集成在各类医疗器械中,而且传感器的温度范围可定制,最大化排除温度干扰。同时,光纤传感器的主要材料是硅和石英,这两种物质的物理和化学性能稳定,具有较好的人体兼容性,在人体内的安全性高。

 

同时,要想将光纤传感器微型化,佰为深的秘诀在其独特的MEMS工艺上。“同一个厂家、同一款设备,可能不同的人去做,生产出的传感器都不一样。”在研发压力传感器的过程中,佰为深不是遵循国军标的10万次疲劳循环试验,而是按照美军标完成了100万次的试验。反复试验、优化、再试验,减小传感器的尺寸、提高温度性能、提高灵敏度和精度,正是这点“固执”打磨出了一套独特的MEMS工艺,使佰为深生产出尺寸仅0.23mm的超微型传感器。

 

此外,稳定性也是评价光纤传感器的一个重要指标,这也是佰为深微型光纤传感器的优势。此前,佰为深的客户曾测量过,公司的超微型传感器在7天或者14天内的漂移小于4毫米汞柱

 

自主生产MEMS光纤传感器和压力导丝,国内仅此一家


在医疗领域的第一步,佰为深选择了FFR(血流储备分数)市场。

 

FFR作为冠脉功能学诊断的金标准,可用于评估血管狭窄是否引发心肌缺血,帮助医生判断患者是否需要植入支架。根据弗若斯特沙利文的数据,2020年FFR在美国、日本、中国的渗透率分别为16.1%、15.7%及0.6%。FFR在我国的渗透率远远不足,一方面是由于市场教育不到位,另一方面是海外巨头对压力导丝技术的策略性垄断。在国内,进口导丝“一丝万元”的情况大大限制了FFR的发展。

 

除了压力导丝技术上的垄断,MEMS光纤传感器的高门槛也将一些企业排除在外。国内FFR市场中处于垄断地位的几家外资企业,它们的MEMS光纤传感器均来自外购。全球范围内,能够自主生产MEMS光纤传感器和压力导丝的企业寥寥无几,佰为深属于国内首家

 

佰为深传感器产品的工作温度范围可定制,测量精度优于1mmHg。在制作工艺上,佰为深的压力导丝全部采用激光焊接,没有加入其它焊接工艺、不引入其它材料,所以导丝整体的抗拉性能较好。该压力导丝还具有独特的结构设计,提高了产品的通过性和可操控性。同时,佰为深的微型光纤FFR产品的成本远低于国际上同类型产品,具有较大的落地优势。

 

此前,微型光纤FFR产品获得FDA认证,佰为深成为首家在FFR领域获得FDA认证的国产企业。

 

同时拥有MEMS光纤传感器技术和压力导丝技术,为佰为深争取了研发、生产的主动权。一方面,佰为深可以提高导丝的生产效率,降低生产成本。另一方面,由于佰为深自主的导丝生产技术和广泛的医生资源,企业可以较好地满足临床医生的改型需求。

 

“我们能较快响应医生的需求,对产品进行改进和优化。比如医生在使用FFR产品后提出要求,能不能调高传感器的灵敏度,能不能排除温度的影响。类似于这些问题,我们都很容易做出改进。”

 

同时,在心内科之外,针对不同科室的需求佰为深做出了拥有不同量程范围的压力传感器。其中既有适用于颅内压测量、量程仅10毫米汞柱的小传感器,也有量程为100兆帕的压力传感器,产品广泛进入泌尿、肾内、颅内等多个科室。在为医院客户提供传感器时,佰为深还会协助开展凝血实验、稳定性测试、传感器精度测试。

 

佰为深的光纤传感技术源起于军工项目,具备军工品质,应用当然不仅限于医疗。在石油领域,佰为深的传感器能够连续、实时监控井下的压力和温度,工作温度达300℃,实现了行业中的最高水平;在交通领域,公司的加速度传感器能实时监测高铁铁轨、高铁受电弓等不同位置的振动情况;在发电领域,佰为深在研发用于电解铝测温的传感器产品;在军事上,公司也在研发一些快速、动态测试压力的传感器。

 

尽管佰为深在多领域广泛布局,但企业的重点仍然是温度传感器、压力传感器、加速度传感器、位移传感器几款产品。依托核心的光纤传感技术和MEMS工艺,企业仍能不断拓展光纤传感器产品的应用范围,为更多医疗、工业客户提供服务。

 

从交流中发现需求,器械创始人和医生的思想碰撞


发现需求,解决问题,满足需求,是张立喆创立佰为深的开端。

 

长期接触各科室医生,创始人张立喆发现医院在精准介入治疗方面有很大的需求。比如医生想要测量帕金森患者手指抖动的频率、速度、方向,以在达到某一数值后及时通知患者住院治疗。通过已有的光纤传感技术,张立喆设计了两套系统,帮助医生获取了定量的数据。

 

而且,以往我们总感觉光纤传感器和骨科没有多大关系,但在汶川地震中,一些患者从废墟底下抬出来后,刚开始看着还好好的,可能就过了半个小时,患者的身体每况愈下。医生发现当压在患者身体上的物体挪开后,患者受压部位会产生毒素,攻击人体内脏,往往在半个小时内就可能出现内脏衰竭。在这种情况下,医生想拥有一套可监测患者受伤部位压力大小和血流量的装置。为此,张立喆将光纤传感器安置在滞留针上,以测量压力值,同时协助医生完成了200多只小鼠的试验。

 

“医生可能苦于没有渠道能满足这些定量测量的需求,但其实光纤传感器很容易就能做到。后来我陆续接触到包括外周、耳鼻喉、颅内、妇产、肾内等其它科室的医生,他们也比较喜欢定量测量人体内压力的传感器产品。那既然光纤传感器在医疗领域的前景如此可观,我们就干脆做一些医用传感器。”

 

2006年开始接触光纤传感器,深耕传感器领域近15年,张立喆带领一批来自帝国理工学院、南开大学、厦门大学的员工为佰为深打造了技术的金招牌。在全球范围内,佰为深逐渐与各大医院、不同科室建立起销售网络,不仅与医院合作完成一些科研项目或临床预研项目,还跟各领域内的顶尖医生一同丰富传感器产品的使用场景,开拓新兴市场,打造新型产品。如从心内科到泌尿、妇科、颅内等市场,从微型光纤FFR系统到射频消融导管。同时,在布局各工业板块的过程中,佰为深逐渐与石油、风电水电火电、煤炭等领域的龙头企业达成合作。

 

在接下来的发展中,佰为深还将继续在医疗、工业领域不断发力,在医疗板块加快FFR导丝的NMPA认证和肾内压力导丝的临床试验进度。而且,公司计划开展A轮融资,用于产品研发、产品商业化及产线扩建。

 

“有朝一日,光纤传感器会广泛应用于各大领域,在开拓新兴市场的同时取代部分传统的机电式传感器。随着物联网、智慧网络等领域兴起,光纤传感器可能会进入一个万亿级市场。佰为深希望扎根核心技术,不断优化迭代,成为一家百年老店。”

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