傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的分類及應(yīng)用

0 引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以及電子技術(shù)近年來發(fā)展迅速，相關(guān)的領(lǐng)域也因此得到了推進(jìn)，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展更加顯著?？梢钥吹?，在醫(yī)學(xué)科技領(lǐng)域中出現(xiàn)了越來越多的高科技電子產(chǎn)品，例如自動(dòng)生化分析儀、全身伽馬刀治療系統(tǒng)以及多層螺旋 CT 和MRI 等，傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用同樣非常廣泛，傳感器能夠發(fā)揮感受生命體征信息的重要作用，對(duì)推動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展有重要意義“，八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目之一就是傳感器，因此研究傳感器是發(fā)展當(dāng)代醫(yī)學(xué)的必由之路。

1 傳感器的組成與分類

傳感器通常由兩個(gè)部分組成，即轉(zhuǎn)換元件和敏感元件。其中敏感元件就是能夠直接響應(yīng)或者感受被測(cè)量的部分，而轉(zhuǎn)換元件就是將測(cè)量到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的那部分。按照現(xiàn)在普遍使用的分類方法，可以將傳感器分為兩類，其中諸如生物傳感器、物理傳感器和化學(xué)傳感器等屬于一類，這幾種都是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) ;而力矩傳感器、速度傳感器、流量傳感器、氣敏傳感器和粘度傳感器等，這幾種是按照輸出量分類的。上述都是都是較為普及并應(yīng)用廣泛的傳感器，在未來有廣闊的發(fā)展前景。

在過去，醫(yī)生收集病人信息的方式比較簡(jiǎn)單，基本上都是“望聞問切”以及簡(jiǎn)單的檢查。我國在上世紀(jì)六十年代建立了醫(yī)學(xué)工程，多種高科技醫(yī)療設(shè)備被開發(fā)出來，大大豐富了醫(yī)生收集病人信息的方式，也提高了診療和治療的整體水平。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，傳感器起到的是“耳目”的作用，傳感器種類繁多，用處不一，按照診療目的可以分為預(yù)防傳感器、檢查傳感器等，按照采樣方式不同則可以分為體外傳感器和體內(nèi)傳感器，按照檢查目的的不同又可以分為形態(tài)學(xué)傳感器、生理功能傳感器和臨川化學(xué)傳感器等。目的不同，用途不同，分類方法也不盡相同。

2 生物傳感器的應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)中有多種檢驗(yàn)方法，一般的方法是在實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，但是這種檢驗(yàn)方法過程繁瑣，花費(fèi)時(shí)間較長，逐漸無法滿足現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)的需求，生物傳感器的出現(xiàn)大大改觀了這種現(xiàn)象。生物傳感器是化學(xué)傳感器的一種，核心部分是以諸如細(xì)胞、微生物、組織等的生物活性單元為基礎(chǔ)的敏感基元，傳感器捕捉到基元和目標(biāo)之間的反應(yīng)并將其用電信號(hào)輸出，由于生物傳感器具有操作簡(jiǎn)單、花費(fèi)時(shí)間較少等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛關(guān)注。

2.1 原理和結(jié)構(gòu)

傳感器中包含抗體、抗原、蛋白質(zhì)、DNA 或者酶等生物活性材料，待測(cè)物質(zhì)進(jìn)入傳感器后，分子識(shí)別然后發(fā)生生物反應(yīng)并產(chǎn)生信息，信息被化學(xué)換能器或者物理換能器轉(zhuǎn)化為聲、光、電等信號(hào)，儀器將信號(hào)輸出，我們就能夠得到待測(cè)物質(zhì)的濃度。傳感器的主要組成部分是感受器和換能器，再將信號(hào)通過自動(dòng)化儀表技術(shù)和微電子技術(shù)處理，就能構(gòu)成各種儀器或者系統(tǒng)。

2.2 分類和特點(diǎn)

按照換能器種類分類，可以分為聲波傳感器、半導(dǎo)體傳感器、熱傳感器、阻抗傳感器等 ;按照分子識(shí)別元件種類分類，可以分為免疫傳感器、細(xì)胞傳感器和組織傳感器等。

傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)大多是酶分析法，這種方法步驟繁瑣，費(fèi)用較高，而采用生物傳感器的方法，雖然試劑價(jià)格昂貴但是可以多次使用;生物傳感器有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)移性，即只對(duì)特定的底物發(fā)生反應(yīng)，不論其濁度和顏色如何 ;再者分析速度較快，一般一分鐘就能得到結(jié)果 ;誤差能夠控制在 1% 以內(nèi)，準(zhǔn)確度可以保證 ;相對(duì)于酶分析法操作更加簡(jiǎn)便，可以進(jìn)行自動(dòng)化分析 ;生物傳感器檢驗(yàn)效率更高。上述都是生物傳感 器的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的運(yùn)用

生物傳感器有很多種，下面針對(duì)其中幾種傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的運(yùn)用展開分析。

2.3.1 微生物傳感器

微生物傳感器的感受器是含有微生物的膜，工作原理是微生物會(huì)消耗待測(cè)溶液中的溶解氧，放出熱量或者光，達(dá)到定量檢測(cè)待測(cè)物質(zhì)的目的。相對(duì)于酶?jìng)鞲衅?，微生物傳感器使用穩(wěn)定并且成本更低，但是使用范圍不及酶?jìng)鞲衅?，?shù)據(jù)顯示，微生物傳感器能夠檢測(cè)的物質(zhì)約為 60 種到 70 種。微生物會(huì)受到待測(cè)物質(zhì)的毒害影響，這是影響傳感器準(zhǔn)確度和壽命的主要因素，解決了這個(gè)問題，微生物傳感器市場(chǎng)化指日可待。

2.3.2 酶?jìng)鞲衅?/p>

這種傳感器的敏感元件是固定化酶，使用酶?jìng)鞲衅骶筒恍枰ㄙM(fèi)大量精力去提取酶。臨床上測(cè)定尿素、葡萄糖、乳酸、天門冬酰胺等生化指標(biāo)可以采用酶?jìng)鞲衅鳎绗F(xiàn)在的葡萄糖酶?jìng)鞲衅饕呀?jīng)發(fā)展到了第四代，應(yīng)用范圍廣泛，并且國際上乳酸酶?jìng)鞲衅骷夹g(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。臨床上要檢驗(yàn)患者腎功能就要進(jìn)行腎功能診斷，然后針對(duì)性的實(shí)施人工透析，這種情況下就要使用尿素傳感器。酶?jìng)鞲衅餮芯繒r(shí)間和發(fā)展時(shí)間都較長，市場(chǎng)上的酶?jìng)鞲衅饕呀?jīng)達(dá)到了超過 200 種。

2.3.3 基因傳感器

基因傳感器是近年來才出現(xiàn)的一種傳感器，但是技術(shù)先進(jìn)，國內(nèi)外也有很多專家學(xué)者針對(duì)基因傳感器進(jìn)行研究，現(xiàn)在已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一?；騻鞲衅鞯幕A(chǔ)是雜交高特異性，一般基因傳感器上有 30 個(gè)左右的核苷酸單鏈核酸分子，通過和靶序列雜交測(cè)定目標(biāo)核酸分子?，F(xiàn)在研究和使用較多的基因傳感器是 DNA傳感器，主要用于結(jié)核桿菌、艾滋病毒和乙肝炎病毒等的檢測(cè)，從而達(dá)到診斷疾病的目的。

3 光纖傳感器的應(yīng)用

傳播光并不是光纖的唯一用途，還可以用來交換信息。光纖可以將各種參數(shù)和待測(cè)量結(jié)合起來，得到被測(cè)信號(hào)的狀態(tài)，將其轉(zhuǎn)換為光信號(hào)輸出。相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器，光纖傳感器反應(yīng)速度更快、靈敏度高，在使用過程中不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，光纖密度小、保密性佳并且便于保存，因此光纖傳感器在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。

3.1 原理和分類

基本原理就是光經(jīng)過光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)，然后和被測(cè)參數(shù)發(fā)生作用，被測(cè)參數(shù)會(huì)使光的頻率、強(qiáng)度和相位等發(fā)生變化，變化后的光經(jīng)過光纖通過調(diào)制器輸出被測(cè)物理量。按照傳感原理，光纖傳感器可以分為兩類，即傳感型傳感器和傳光型傳感器 ;按照測(cè)量對(duì)象可以分為流量傳感器、位置傳感器、溫度傳感器、圖像傳感器等，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域現(xiàn)今應(yīng)用較多的是傳光型傳感器。

光纖傳感器的工作原理

3.2 傳光傳感器的應(yīng)用

傳光傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，例如絕緣、體積小、不受微波和射頻干擾等，在法國、日本、美國等國家都有大量應(yīng)用。

3.2.1 測(cè)量pH值

采用光傳感器測(cè)量 pH 值的原理，是利用透射光和發(fā)射光的強(qiáng)度隨波長分布光哭進(jìn)行測(cè)定的，在纖維素膜盒中插入兩條光纖，然后將針頭插入血管或者組織中，試劑會(huì)和體液混合，吸收特定波長的光，然后使用分析儀將測(cè)量這種變化，分析后即可得到組織或者血液的 pH 值。

測(cè)定 pH 值

3.2.2 測(cè)量溫度

現(xiàn)在國內(nèi)外普遍采用微波加熱療法治療癌癥，但是加熱的溫度難以控制，如果溫度太低，癌細(xì)胞可能殺不死，而如果溫度太高，正常細(xì)胞會(huì)被一起殺死，對(duì)人體有不良影響，適宜的溫度為42.5℃到 45℃，因此需要采取措施監(jiān)測(cè)加熱溫度，我們可以使用光傳感器達(dá)到這個(gè)目的，已經(jīng)開發(fā)出的一種就是使用鉭酸鋰晶體制作的，由于晶體的雙折射特性因而對(duì)溫度非常敏感，雖然目前用于測(cè)量溫度的光纖傳感器仍然處于研究階段，但是需求量較大。

3.2.3 傳輸圖像

原理是將多根光纖組成光纖束達(dá)到圖像傳輸?shù)男Ч?，將其?yīng)用于內(nèi)窺鏡上能夠極大的增加內(nèi)窺鏡應(yīng)用范圍，這種內(nèi)窺鏡具有自由度大、柔軟、直徑小的優(yōu)點(diǎn)，因此在使用過程中病人基本不會(huì)感受到痛苦，光內(nèi)窺鏡還可以用于息肉切除等正常的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

4 溫度傳感器的應(yīng)用

溫度指標(biāo)在醫(yī)學(xué)中非常重要，醫(yī)生可以依靠各個(gè)部位的溫度來診斷疾病，例如在診斷休克病人時(shí)就需要獲取其體表溫度，而一個(gè)人體表溫度升高則可能是得了感染性疾病，又如恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)保溫箱，能夠給新生兒營造舒適的環(huán)境等。這些例子都說明溫度在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用是很廣泛的，因此溫度傳感器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用同樣重要。

4.1 溫度傳感器的種類及應(yīng)用

4.1.1 熱電偶式

回路由兩種不同的金屬組成，如果觸電溫度不同，那么就會(huì)有電流通過回路，這就是熱電偶式傳感器的原理。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可靠準(zhǔn)確、范圍廣、測(cè)量穩(wěn)定，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。例如在腫瘤治療中，如果精確的控制溫度就能強(qiáng)化放療的效果，因此使用熱電偶傳感器將腫瘤周圍溫度控制在 43℃，提高了治療腫瘤的療效。

4.1.2 熱電阻式

主要是使用熱敏電阻，這是一種對(duì)溫度很敏感的元件，可以使用熱敏電阻來制作探頭，例如半導(dǎo)體熱電阻和金屬熱電阻等。熱電阻傳感器的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、反應(yīng)快，并且工藝較為成熟，我國工業(yè)使用熱敏電阻非常廣泛，由于熱敏電阻靈敏、體積小的特點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)中同樣得到了大量應(yīng)用。例如在玻璃或者塑料中封裝熱敏電阻，可以用來測(cè)量直腸、口腔等部位的溫度，而薄片熱敏電阻則用來測(cè)量體表溫度。熱電阻傳感器有廣闊的發(fā)展前景。

4.1.3 熱輻射式

實(shí)際上是一種熱電變換器，使用黑色表面的元件將輻射量吸收進(jìn)來，轉(zhuǎn)化為熱量后經(jīng)過其他元件轉(zhuǎn)換，成為參數(shù)或者電量，常見的就是非接觸式溫度傳感器，例如在非典期間使用廣泛的紅外線測(cè)溫儀。

4.2 PN 結(jié)溫度傳感器

溫度會(huì)對(duì) PN 結(jié)的伏安特性產(chǎn)生影響，因此可以利用這個(gè)特性制作溫度傳感器，例如常見的有集成電路傳感器、二極管和三極管溫度傳感器等。其中集成電路傳感器應(yīng)用較多，是在一片芯片上集成外圍電路和溫閩三極管。和熱敏傳感器相比，集成模擬傳感器響應(yīng)速度更快、靈敏度更高，并且體積較小，攜帶和使用都很方便。

4.3 數(shù)字溫度傳感器

將溫度轉(zhuǎn)換為振蕩頻率的變化是數(shù)字溫度傳感器的原理，數(shù)字溫度傳感器可以分為智能溫度傳感器和邏輯輸出傳感器。其中智能溫度傳感器也叫智能溫度控制器，發(fā)明于上世紀(jì)九十年代，現(xiàn)在國際上已經(jīng)有多種智能溫度傳感器，這是計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。智能溫度傳感器是一種軟硬件結(jié)合的產(chǎn)品，其智能程度也受到軟件水平的影響。智能溫度傳感器體積小、抗干擾并且精度較好，可以采用智能溫度傳感器建設(shè)病房多路溫度測(cè)控系統(tǒng)，批量測(cè)量體溫，還具備報(bào)警功能。邏輯輸出溫度傳感器就是溫度開關(guān)，在很多時(shí)候我們只關(guān)心溫度是否超出了范圍，如果有這種需求則可以采用邏輯輸出溫度傳感器。

5 結(jié)束語

綜上，介紹了傳感器的組成和分類，并分析了當(dāng)前常用的幾類傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用。