現(xiàn)代醫(yī)療傳感器種類及前沿應(yīng)用簡(jiǎn)介

隨著人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)、人口老齡化的加重，人們需要大量的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)奇跡。為了保持這種勢(shì)頭，越來越多的人開始尋求醫(yī)療幫助，這就需要在減少手工勞動(dòng)者和人為失誤的同時(shí)提高醫(yī)療器械的可靠性和自動(dòng)化處理。

為了使智能器械達(dá)到安全可靠、自動(dòng)化處理的目標(biāo)，應(yīng)該配備傳感器。傳感器已被廣泛用于外科手術(shù)設(shè)備、加護(hù)病房、醫(yī)院療養(yǎng)和家庭護(hù)理中。已經(jīng)有很多可與醫(yī)療器械結(jié)合使用的傳感器在市面上出售。

在醫(yī)療設(shè)備制造商和傳感器專家的攜手合作下，更多尖端的科學(xué)技術(shù)將會(huì)被創(chuàng)造出來。如果很好地理解了需控制的用途和參數(shù)，那么選擇一個(gè)傳感器就變得很簡(jiǎn)單。

最復(fù)雜的傳感器是植入式傳感器，其次是用于導(dǎo)管中的傳感器（通過切割的方法）、用于身體空腔中的傳感器、用于身體外部但是卻和體液相接觸的傳感器，以及外用傳感器。本文將介紹應(yīng)用于上述所有用途的傳感器的詳細(xì)說明，并給出一些當(dāng)前正在使用的設(shè)備范例。

植入式傳感器

植入式傳感器應(yīng)當(dāng)體積小，重量輕，并且和身體兼容，同時(shí)還要求其功率非常小。更重要的是，它們不能隨著時(shí)間的推移而衰變。

由于這類傳感器屬于第Ⅲ類醫(yī)療器械，因此需要有食品及藥物管理局（FDA）的批準(zhǔn)才能使用。一般來講，這類傳感器價(jià)格非常昂貴，而且需要專家做外科手術(shù)進(jìn)行移植。

對(duì)功率的要求是植入式傳感器正常工作所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。不需要功率就能發(fā)揮作用的傳感器是最完美的，可是市場(chǎng)尚沒有這種傳感器出售。壓電聚合傳感器體積小，可靠性高，不需要外部動(dòng)力而且能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。這類傳感器可應(yīng)用于監(jiān)視病人活動(dòng)的心臟起搏器。

壓電式傳感器是一個(gè)很小的懸臂，懸臂的重量集中于一端且隨著人體的運(yùn)動(dòng)而跳動(dòng)。每當(dāng)病人運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。心臟起搏器接收到這些信號(hào)，然后使心臟也相應(yīng)的博動(dòng)。如果病人在休息，信號(hào)為零，則心臟起搏器會(huì)使心臟以正常頻率博動(dòng)，例如大約70次/分鐘。傳感器能區(qū)分出各種活動(dòng)，例如走路、跑步、或是其他身體活動(dòng)。傳感器的輸出和運(yùn)動(dòng)量成正比。

利用外部能源給已植入的傳感器提供動(dòng)力，還有其他的方法。假如人體某部位已被植入一個(gè)特別設(shè)計(jì)的傳感器，那么當(dāng)將一個(gè)射頻能量束靠近該部位時(shí)，該傳感器即被激活，開始工作，并通過射頻鏈路將所得數(shù)據(jù)發(fā)回給探測(cè)器，然后再重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。使用一個(gè)帶有天線的傳感器和一個(gè)異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)來完成這項(xiàng)功能。

舉個(gè)例子，由于腹部長(zhǎng)了一個(gè)大動(dòng)脈瘤，要求切除一部分脆弱的動(dòng)脈，用人工合成的管狀器官來替代。這時(shí)，可以在手術(shù)的過程中植入一個(gè)傳感器，用來監(jiān)視手術(shù)部位的壓力泄漏。

臨時(shí)性”插入傳感器

這類傳感器要求能夠通過切口插入體內(nèi)（典型的方式是通過導(dǎo)管插入）。和植入式傳感器相比，這種傳感器的危險(xiǎn)性不高。

這種傳感器的應(yīng)用也很敏感，同樣需要食品及藥物管理局的批準(zhǔn)才能使用。根據(jù)外科手術(shù)的不同，這些傳感器可能會(huì)發(fā)揮幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)的功效。在理想情況下，這些傳感器不需要外部動(dòng)力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但是如果必要的話，也可以通過外部途徑進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

可以將一對(duì)匹配的熱敏電阻連接到導(dǎo)管的頂端。通過測(cè)量血液的流速，熱敏電阻可以將導(dǎo)管引入心臟的不同位置。可以利用線圈對(duì)它們進(jìn)行加熱，或者用冷鹽水沖洗的方式來測(cè)量血液流速。當(dāng)用冷鹽水沖洗時(shí)，第一個(gè)傳感器測(cè)得的溫度要比第二個(gè)傳感器低，這是因?yàn)楫?dāng)鹽水到達(dá)第二個(gè)傳感器時(shí)，鹽水已經(jīng)被流動(dòng)的血液加熱了。由于兩個(gè)溫度傳感器的間隔距離是已知的，而且鹽水的溫度和量是可控的，因此可以通過讀取兩個(gè)傳感器的輸出數(shù)據(jù)差來計(jì)算血液流速。當(dāng)用冷鹽水時(shí)，這些熱敏電阻不需要外部的動(dòng)力。

導(dǎo)管消融傳感器是另一種用切割方式“臨時(shí)性”插入的傳感器，可利用它進(jìn)行特殊的治療或是在治療過程中采取某種緊急措施。消融術(shù)是一個(gè)通過有選擇地殺死某個(gè)組織來生成新疤痕組織的過程，這樣做的目的是要在心臟內(nèi)設(shè)置不同的路線發(fā)送神經(jīng)脈沖，進(jìn)而醫(yī)治心率失常的疾病。射頻能量經(jīng)常被用于消融過程。實(shí)施消融術(shù)的關(guān)鍵是要注意導(dǎo)管頭對(duì)目標(biāo)組織所施加的力不能超過事先設(shè)定的值，以避免刺穿目標(biāo)組織。微熔術(shù)傳感器技術(shù)是利用一個(gè)空間受力感應(yīng)系統(tǒng)從三維空間同時(shí)測(cè)量組織接觸時(shí)的受力情況。

硅微機(jī)械壓力傳感器可用于宮縮壓力傳感器，來測(cè)量分娩期內(nèi)的子宮收縮壓力和收縮頻率。這種方法要比常規(guī)的束腹帶方法要更加可靠，且可在危急情況下使用。硅微機(jī)械壓力傳感器的另外一個(gè)特性是可以嵌入羊膜液注入和提取傳感器中。這些傳感器通過子宮插入，然后置于羊膜袋中。 當(dāng)小孩即將出生時(shí)再把傳感器取出來。這些傳感器都是一次性傳感器。

用于測(cè)量體溫的口腔/直腸探針被設(shè)計(jì)成體積、外表粗糙。這些傳感器的表層用松軟的涂料覆蓋，用來保護(hù)器官的內(nèi)層不受到意外傷害。

和體液相接觸的外用傳感器

有幾類一次性傳感器是附在體外使用的，但是它們卻是和體液相接觸的。比如一次性血壓傳感器（DSP），這類傳感器用于外科手術(shù)和重癥監(jiān)護(hù)，以便持續(xù)地監(jiān)控病人的血壓情況。這是在給病人進(jìn)行靜脈輸液（IV）的同時(shí)測(cè)量其血壓的最理想方式。這類傳感器需要每24個(gè)小時(shí)更換一次，以保證傳感器的清潔衛(wèi)生。這類傳感器被連到一個(gè)監(jiān)控器上，以便記錄下所有的信息。

還有其它幾類與藥物或是體液相接觸的傳感器。其中一類用于氣囊膨脹壓力監(jiān)控。在這個(gè)應(yīng)用中，壓力傳感器需要承受超過30bar的壓力，并監(jiān)控氣囊的充氣壓力。壓力過大的話會(huì)將氣囊充爆。由于傳感器與藥物和體液接觸，因此需要用一個(gè)硅凝膠屏障將傳感器的其余部分隔開。

設(shè)備和外用傳感器

在中藥和體液都不和傳感器相接觸的情況下，可將外用傳感器應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備。在大多數(shù)情況下，這類傳感器都不是一次性的。醫(yī)院或是家庭護(hù)理均可使用這類傳感器。下面列舉幾個(gè)此類傳感器：

注射泵中用于檢測(cè)脈管梗塞（導(dǎo)管堵塞）的測(cè)壓元件。注射泵中用于檢測(cè)流速、注射器是否為空和注射器是否堵塞的電磁編碼器肺活量計(jì)中用于測(cè)量哮喘病人呼吸強(qiáng)度的微電子機(jī)械系統(tǒng)流速傳感器用于研究帕金森病人顫動(dòng)情況的超小型微電子機(jī)械系統(tǒng)加速傳感器。用于研究睡眠窒息的壓電（或熱電）傳感器。用于監(jiān)控和測(cè)量手腕動(dòng)脈脈壓的微電子機(jī)械系統(tǒng) 壓力傳感器。用于輸氧控制及監(jiān)控儲(chǔ)氧罐存量的微電子機(jī)械系統(tǒng)和測(cè)壓傳感器。用于測(cè)量體表/體內(nèi)溫度的NTC溫度傳感器。袖袋血壓傳感器工具箱中所使用的基于微電子機(jī)械系統(tǒng)的壓力傳感器。

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