生物醫學傳感器與醫療保健系統的應用研究

張玲 宋霄薇

(河南科技大學,河南洛陽 471003)

生物醫學傳感器與醫療保健系統的應用研究

張玲 宋霄薇

(河南科技大學,河南洛陽 471003)

隨著現代生物技術的發展，對生物醫學傳感器的研究進入了全新的階段，生物醫學傳感器作為現代醫療保健系統的主要發展驅動力有著低成本、高質量的特點。其中，生化傳感器和微傳感器的發展更加迅速，針對生物醫學傳感器的原理、發展、應用情況進行分析論述，可以更深入的了解生物傳感器和醫療保健系統的應用近況。

生物醫學傳感器 醫療保健 應用

1 引言

隨著世界人口的日益老齡化，對于生物醫學傳感器的開發研究提出了更高的要求，醫學傳感技術的發展可以更好地預防、檢測、治療各種疾病，它作為醫療保健系統的重要組成部分在應對疾病挑戰中發揮著至關重要的作用。醫療保健系統發展的關鍵因素在于應用高級功能生物材料和研發新型技術創造智能、微型、可靠、成本低、多功能、高效率的生物醫學傳感器，實時對人體的狀態以及功能進行連續性監控和檢測，確保在不間斷的觀察下及時發現疾病并做出及時的治療。

2 生物傳感器簡介

（1）生物傳感器定義。生物傳感器是指：利用具有固定化的生物分子與換能器結合，用于偵察生物體內或生物體外的環境化學物質以及和它發生特異性交互反應并產生響應的裝置。生物傳感的關鍵組成部分主要有兩個，其一是來自于生物體組織部分、生物體分子和個體細胞的分子辨認組成部件，這一部分是生物傳感器的信號產生和接收部分，另一部分為儀器的硬件組成部分，主要用于物理信號的相互轉換，檢測元件主要為光學檢測和電化學組成。隨著科技的發展，不斷涌入新材料、新原理、新技術，特別是生物芯片技術和微電子機械系統的出現，使得生物傳感器逐漸發展成為具有微型化、智能化、集成化以及芯片化為特點的處理、生物檢測的微系統。（2）生物醫學傳感器工作原理。生物傳感器的使用原理為：被檢測的物質通過擴散用與生物活性材料相結合，經過分子的特異性識別后，發生化學或物理反應進而產生一系列的信息，相應的化學或物理換能器將這些信息轉變成可以處理和可以定量的電信號，這些電信號再通過信號處理系統輸出，便能檢測出待測物質的相關信息。

3 生物醫學傳感器的應用

生物醫學傳感器可以實時的對生物大分子之間的相互作用進行檢測。通過動態觀察抗體、抗原之間的結合作用以及解離關系，準確計算抗體的親和力強弱，對人們了解單克隆抗體以及有目的的篩選具有應用潛力的單克隆抗體具有重要作用。（1）臨床應用。利用生物醫學傳感器可以用來檢測例如乳酸、血糖、谷氨酰胺等具有臨床意義的基質。對患者的血藥濃度進行檢測，使得以前的依靠經驗治療轉變為依靠科學治療，對臨床檢驗具有指導性意義。依靠科學的手段對其檢測能大幅度減小藥物的毒性作用，抑制毒性的發作。現如今，血液中葡萄糖的檢測廣泛使用的為葡萄糖酶傳感器，并已取得大眾的認可。乳酸測定儀作為目前研究最為成功的一款商品酶傳感器，可以檢測由于肌肉持續運動產生的乳酸代謝產物的含量，具有現實性意義。（2）生物醫藥領域的應用。在應用生物工程技術生產藥物過程中，使用生物傳感器監視各時段生化反應特征，可以及時獲得數據，對生物工程產品加以實施監測，保證生物產品質量。生物傳感器應用于癌癥藥物的研發起到了巨大的作用，目前，在進行癌癥藥物研究時，提取患者的癌癥細胞培養，分別把各種藥物作用于細胞，利用生物傳感器觀察癌癥細胞對每種藥物的反應，從中選擇最為合適有效的治療藥物。

4 生物醫學傳感器發展趨勢

及時了解身體狀況、獲得身體健康信息是預防疾病的基礎措施。積極預防、早期診斷是系統性的預防疾病的重要方式。生物醫學傳感器作為一種新型醫療設備可以及時獲得這些信息，對于重病患者、慢性病患者以及從事特殊職業的危險作業人員來說，使用穿戴式傳感器或無線植入式傳感器對其重要的身體信息特征進行實時監測顯得尤為重要。醫學領域的發展要求與生物傳感器的發展密切相關，利用生物傳感器對疾病患者進行實時監測以及對患者進行篩查也變得越來越重要。遠程醫療、一次性使用傳感器、遠程會診業務會隨著家庭護理需求的增加而逐步發展擴大。這些因素決定了未來生物醫學傳感器的發展方向會是具有低成本、低功耗、智能化、微型化、多功能、遠程供電、無損檢測、無線傳輸等特點。

（1）具有無損特點傳感器。在當前的醫學領域上有著多種方法對相關醫學參數進行檢測，生化醫學傳感器大多是采用侵入式的方法對患者進行檢測，這樣會對患者帶來一定的痛苦，不利于診斷的進行。因此，選用非侵入式的無損醫學傳感器進行檢測成為了最理想的檢測方法，開發具有無損特點的醫學傳感器也是生物醫學傳感器發展的重點。（2）納米傳感器。納米技術是在原子和分子水平上完成對材料的設計、操作以及使用，并可以使材料產生新的功能特性、生物特性、化學特性、機械特性，生物醫學傳感器與納米技術的相結合有很大的發展潛力。尤其是生物芯片、納米生物傳感器以及微型智能化醫療器械等方面的發展會對疾病的診斷、治療以及保健等方面發揮積極有效的作用。（3）人體局域網和無線傳感器。當前醫學上對重病患者的監測主要采用ICU等設備，然而ICU設施具有一些不利特點，例如：線路繁多、設備復雜、價格昂貴、難以移動等，并且過于繁多的線路會對患者的心里造成一定影響，制造緊張情緒，在這種影響下會導致對患者的診斷數據與真實情況發生偏差。針對這一情況研發的無線醫學傳感器，在其外部設備沒有線路連接，并通過無線通訊設施與無線傳感器網絡連接，可以保證患者在正常的自由活動下完成檢測，這樣可以確保檢測更加準確、方便。

人體局域網是指將人體周圍可植入、可穿戴、可侵入的無線醫學傳感器，例如腕表型血糖傳感器、可在指尖穿戴的血氧傳感器、心電傳感器、血壓傳感器、呼吸傳感器等和便攜式的信息采集裝置或是具有特殊功能的手機相連接組成無線系統。人體局域網可以自動診斷并對相應情況發出報警信號。它在生物醫學傳感器的發展中起著極大的推動作用。

5 結語

隨著人類基因組計劃的提出與實施，使得與醫學、生物學、食品、衛生等學科相關的各類生物傳感器得以極速發展，并給生物傳感器的進一步研究提供了適宜的條件和平臺。因此，相信在未來一段時間內，會有不斷的新型傳感器被研發和發展，并會在生物信息研究、疾病診斷治療、基因檢測等方面展現極大的推動作用。

[1]潘曉蘋,汪天富,張新宇.基于6S理念的生物醫學傳感器實驗室管理探索．《信息通信》,2013,8(4):116.

[2]陳魯英,劉忠國,劉伯強.生物醫學傳感器與醫療保健系統的發展趨勢．《醫療衛生裝備》,2012,9(12):56.