传感器论文

医疗中的传感器世界

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----赵晟

【摘要】：

生物医学传感器是将医学生理参数转换成电学量的装置，在现代医学仪器设备中是必不可少的一个关键部件，涉及到医学科技领域的方方面面，对提高医学仪器设备的质量将起到决定性作用，而传感器技术的发展将势必推动和促进现代医学科技的发展，应用前景十分广阔。

【关键词】：

传感器；传感器技术；医疗；医学应用；生物传感器；发展趋势。

【正文】：

在高科技飞速发展的今天,将微电子科技运用在医学领域的传感器发挥着越来越大的作用.传感技术为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法,因此引起了医学界的高度重视.随着传感器工艺技术的提高和运用的推广,传感器也逐渐成为医学领域中的一项新的研究热点.

随着现代医学科技的发展，尤其是电子技术、计算机技术、数字信号处理技术的不断发展，带动和促进了相关科学技术的飞速发展，医学科技的发展更是如此。现代医学电子技术的迅速发展，使许多先进的高科技电子产品被广泛地应用到医学科技领域。医学传感器作为拾取生命体征信息的“五官”，它的作用日益显著，并得到了广泛应用，而且由于传感器技术的发展，推动和促进了医学科技领域的发展。当今社会的发展，就是信息社会的发展。为了发展，就必须获取相关信息。作为医学科技领域的发展，就离不开传感器技术的发展，美国认为世界已进入传感器时代；日本将传感器技术列为十大技术之首；我国将传感器技术列为国家“八五”重点科技攻关项目。由此可见，传感器技术将在医学科技领域得到飞速发展。

所谓传感器，按照国标标准定义为：感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。该装置通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分；转换元件是指传感器中敏感元件感受（或响应）的被测量，转换成适于传感和测量的电信号的部分。

医用传感器在医学科技领域中的应用随处可见。过去收集病人的信息主要依靠医生的感官，通过望、闻、问、切和简单检查来诊断，这些年开始建立的医学工程，开发了大量高性能的医学仪器设备，替代和延伸了医生的感官，随着大量进的高科技医学仪器设备在临床医学中的广泛应用，提高了整体医疗诊断和治疗水平，恰恰是医用传感器担当了现代医疗仪器设备的“耳目”。由于医用传感器种类繁多、功能各异，所以它也遵循一定的分类原则，根据对人体采样方式的不同，分为体内和体外两类传感器；按检查目的的不同分为生理功能（循环、呼吸等）、临床化学、形态学等；按诊疗目的又分为一般检查、预防和监视等。总之，由于不同的用途，不同的目的，不同的出发点，可有不同的分类方法。

如今，医疗传感器在各种场合以各种方式辅助病人护理和监控：救护车，医院和家庭护理等。无论是在手术过程中，重症监护室，医院复健护理，还是在家庭护理方面，医疗传感器都提供了有效的方式以控制运动、气流、探测血压以及用药等。这大大改善了医疗器械的稳定性和目的性，使病患得以成为护理的中心，而不再是这些器械及其程序化的用途。

各类传感器的应用不尽相同，因此在正确的时间和应用环境中选择合适的传感器十分重要。传感器按照类别可分为：植入式传感器、暂时植入体腔(或切口)式传感器、体外传感器和用于外部设备的传感器。

植入式传感器的特点是体积小、重量轻、与人体特性兼容以及功耗小，不会随时间的推移而变质。该传感器属于三类医疗产品，必须通过FDA认证。这类传感器的审核严格，开发和验证周期长，成本高，并需要通过专业人士的手术植入人体。对于植入式传感器的设计，功耗是一大挑战，传感器需要无源工作，或自身可产生所需的能源。解决方案之一是利用压电薄膜传感器，其体积小、耐用、稳定，并可进行无源工作。另一种方法是使用无线电射频，当射频设备接近人体内植入的特殊传感器时，传感器被唤醒，并获取数据。类似的传感器应用于心脏起搏器之类的医疗器械，用来监测患者的身体状况。

暂时植入式传感器通过切口，通常是通过导管插入到患者身体，这些传感器相对于植入式传感器来说要求较低。但仍需通过FDA认证。根据手术程序的不同，传感器需要工作几分钟到几个小时不等。理想状态下，传感器可以在无源状态下进行工作，但如果需要的话，也可通过外部供电。

在导管末端安装一对匹配的热敏电阻后，可以通过加热线圈或冷生理盐水冲洗的方式，在心脏的不同部位测量血流量。当使用冷生理盐水冲洗时，第一个传感器比第二个传感器探测到的温度低，因为血流会使接触到第二个传感器的生理盐水温度升高。两个传感器之间的距离、温度和生理盐水的流量已知，从而血流量可由两个传感器的读数计算得出。使用冷生理盐水的方式时，热敏电阻不需外部供电就可以工作。这些暂时植入式传感器的典型应用是导管摘除传感器和用于子宫内压测量的硅微机电压力传感器。

植入体腔的传感器通常用来测量温度和压力等的特征。子宫内压传感器在分娩过程中植入子宫，以便连续监测宫缩的压力和频率。当传感器检测到合适分娩的时间时，医生取出传感器，开始分娩程序。

体外传感器，例如一次性血压传感器，其传感器本身是安装在体外的，但会与体液直接接触。这类传感器用于手术过程中以及在重症监护室连续监控患者的血压。这种血压测量方式在监测患者静脉压力时尤为理想。另外一个典型的例子是传感器用于血管的重建手术。在该应用中，压力传感器用来控制血管重建气球的充气，防止因为压力过大而导致气球爆裂。由于该类传感器与体液直接接触，产品应采用硅胶密封以及隔离传感器的其他部分。

用于外部设备的传感器并不与人体或体液接触。在大部分情况下，这些传感器是多次使用的。该类传感器大部分应用于医院或家庭监护设备中。典型的应用是在输液泵中使用一个力传感器来探测输液管阻塞和气泡等问题，另外一个应用就是测量腕部的动脉血压和脉搏等。

医用传感器在现代医学领域中得到了广泛应用，涉及到现代医学仪器设备的方方面面，尤其是在图像处理、临床化学检验、生命体征参数的监护监测、呼吸、神经、心血管疾病的诊断与治疗等，使用传感器十分普及，以致于使传感器在现代医学仪器设备中无所不在。在X光诊断装置， CT机，核医学诊断装置，临床化学检验等很多方面传感器都充当着重要角色。

下面列举更多医疗中的传感器应用；

无创血压中硅微机电压力传感器用于测量腕部血压。心脏监控贴中压电薄膜振动传感器远程监测急症患眷心脏跳动节奏和其他信号。一次性血压计中低成本硅微机电压力传感器用于监测患者静脉血压。电子听诊器中压电薄膜传感器作为接触式麦克风，监测心跳、呼吸等。血氧探头中光电传感器用于测量血氧含量(SpO2)和脉搏。热稀释传感器中植入式NTC热敏电阻用于测量血压变化及供血量。切除导管中力传感器在调整心率不齐的心脏手术中能精确测量导管末端的位置。血管重建手术气泵压力监控中硅微机电压力传感器用于测量血管并重建

气球的压力。输血中以硅微机电技术为基础的钢制压力传感器应用于血液分离设备。低温手术设备压力控制中以硅微机电技术为基础的钢制压力传感器用于测量低温气体的压力，以减少动脉阻塞。心肌刺针中皮下注射针头刺入心肌用于监控手术中心脏的温度。输氧智能控制压中压电薄膜或硅微机电压力传感器监测氧气流量。储氧罐低位报警中微熔技术的力传感器用于测量氧气罐剩余量。心脏起搏器中压电薄膜传感器用于监测心脏的活动情况，通过加快心跳增加供血量；NTC热敏电阻用于测量血液温度。呼吸机监控中硅微机电压力传感器监测呼吸机气体流量。骨密度中压电薄膜作为超声波变送器用于测量骨密度。生命特征监护中压电薄膜传感器测量呼吸和心率。口腔/食道/直肠温度表中热敏电阻用于测量体温。呼吸监控中微型振动传感器监测患者的行动。体温中温度传感器监测呼吸模式。重复使用或一次性体温传感器持续测量病人体温。睡眠窒息监护中压电薄膜传感器作为动态应变片监测胸部运动、打鼾及呼吸。便携式输液泵流量控制中硅微机电压力传感器或微熔力传感器检测流量／阻塞。血液透析中温度传感器控制过滤后再注射血液温度。输液检测中超声波探测输液过程中气泡和药液位置。肾透析中微熔应变片压力传感器用来测量液体流量压力。睡眠监护中硅微机电微压传感器确保向氧气面罩提供正向气流；湿度传感器提高舒适性。早产婴儿培育箱中湿度和温度传感器控制气流，保证适合婴儿生长的环境。注射泵中磁阻编码器通过控制活塞的位置控制药液流速。真空引产中硅微机电压力传感器测量真空引产系统的压力。血瘤刺针中刺针末端的微型温度传感器在手术过程中监控大脑的温度。热交换中硅微机电压力传感器测量用于扩张血管的真空。肾移植中一次性血压传感器促进血液在器官间有效循环。子宫内压中低成本微型硅微机电压力传感器在分娩过程中监测宫缩频率和强度。眼科手术中硅微机电压力传感器在眼科手术中控制流体压力。

通过上面这些传感器我们可以看到，医疗中传感器成员各有所长，传感器技术在医疗界扮演了越来越重要的作用，而且监测的对象不仅仅是设备，还可跟踪病人的生命体征、生活习惯和服药情况，治疗状况等。

另一大类在医疗上应用非常广泛的传感器是生物传感器。

生物传感器与其它传感器的最大区别在于生物传感器的信号检测中含有敏感的生命物质。这些敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。

生物传感器在医疗中有着非常重要非常广泛的应用。

1. 药物分析。药物分析用生物传感器其典型代表产品是SPR生物传感器，这是一种表面膜共振分析，是实时测定生物分子结合的技术。以抗原抗体结合分析为例,将抗原(或抗体)通过表面化学方法固定在芯片的金箔表面,然后让抗体(或抗原)流过抗原抗体的结合将改变

膜表面液体性状,从而影响金箔共振性质,这一改变可被实时检测并记录下来(这被称之结合相)。如改让缓冲液流过，结合的抗体(或抗原)将解离并被带走,这同样改变膜表面液体性状,检测并记录下来的金箔共振性质改变就是解离相。

2．血糖分析仪。美国Cygnus公司正在开发的手表式血糖监测仪是一种连续的自动血糖监测装置。在对其校准之后，该装置无疼痛地进行监测并显示大量的血糖数据，可帮助糖尿病患者更好地控制其忽高忽低的血糖值。该自动传感器内置一个生物传感器，安放在手表式血糖监测仪的背面，紧贴在皮肤上。收集到的血糖在自动传感器内引发电化学反应，产生电子。

3. 胰岛素泵。胰岛素泵又称为持续胰岛素输注泵，是为模拟自身胰岛素的生理性分泌，使血糖获得理想的控制而设计的智能式输注装置。现有皮下型和植入型。

4．病原体的检测。如压电传感器可以用于检测爱滋病毒。将HIV 人工合成肽固定于晶片表面,标本中若有抗HIV 抗体,则会与肽链发生反应引起晶体频率改变.

5．用于激素免疫球蛋白等蛋白物质的定性定量。如胰岛素的检测。

6．用于基因检测等。

生物传感器简易、快捷、价廉的独特优越性在各种医学检测诊断中已得到了初步体现，它在医学领域中具有广泛的应用前景和巨大的潜在价值。但作为一种新技术新方法，要其真正作为广泛普及的常规分析检测仪器，还要经历一个长远的发展过程。

传感器在医学领域中的使用，都有赖于设计和制造出各式各样的高性能传感器，从当前高新技术的发展趋势来看，传感器技术的发展方向主要在以下几个方面。

1．向量子化拓广。

2．向集成化、多功能化发展。随着半导体技术的发展，现在已经把敏感元件与信号处理以及电源部分做在同一个基片上，从而使检测及信号处理一体化。这类传感器就是利用某些固体材料的物理性变化来实现信息直接变换，与一般传感器相比，具有结构简单，重量轻，体积小，响应速度快，稳定性好等特点。此外，目前还出现了一种将文字、图形、物体等具有二维分布的光学图像转换成电信号，或者将电信号转换成光学图像的显示器件，它们都是利用光的转换原理组成网状结构。

3．向智能化方向发展。随着计算机技术的不断发，使用的不断普及，微型机已逐步应用到测量技术中，使传感器和测量仪器朝着智能化方向发展，使传统的传感器和测量仪变成智能化装置，从而大大地扩大了使用功能，并提高了测量精度，应用智能化传感器技术的现代医学仪器设备具有许多显著特点。

4．逐步走向系统化。多维传感、智能传感、光信息传感等，必须构成复杂的传感系统，通过多个传感器在计算机中形成虚拟光学成像系统，这类系统将向多功能化、小型化、多维化、信息处理计算机化等方向发展。

医学领域引入传感器是一个飞跃，因为传感器，我们的医疗水平有了更好的提高和更大的发展空间。虽然传感器在医疗中已经有了相当大的发展，但是这一门年轻的科学还需要在未来有更大的突破，相信不远的未来，传感器技术会给医疗带来全新的面貌，会给人类带来新的福祉！

【参考文献】：

1．姜运海，医用传感器[M]，科学出版社，1997

2．齐颁扬，医学仪器，高等教育出版社，1990

3．王保华，生物医学电子学，高等教育出版社，1989