傳感器在醫(yī)學領域的應用

張海榮

（第四軍醫(yī)大學教育技術中心，西安,710032)

0 引言

計算機技術、數字信號處理技術以及電子技術近年來發(fā)展迅速，相關的領域也因此得到了推進，醫(yī)學領域的發(fā)展更加顯著。可以看到，在醫(yī)學科技領域中出現了越來越多的高科技電子產品，例如自動生化分析儀、全身伽馬刀治療系統以及多層螺旋CT 和MRI 等，傳感器在醫(yī)學領域中的應用同樣非常廣泛，傳感器能夠發(fā)揮感受生命體征信息的重要作用，對推動現代醫(yī)學發(fā)展有重要意義，“八五”重點科技攻關項目之一就是傳感器，因此研究傳感器是發(fā)展當代醫(yī)學的必由之路。

1 傳感器的組成與分類

傳感器通常由兩個部分組成，即轉換元件和敏感元件。其中敏感元件就是能夠直接響應或者感受被測量的部分，而轉換元件就是將測量到的信號轉化為電信號的那部分。按照現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、物理傳感器和化學傳感器等屬于一類，這幾種都是將輸入信號轉換為電信號；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單，基本上都是“望聞問切”以及簡單的檢查。我國在上世紀六十年代建立了醫(yī)學工程，多種高科技醫(yī)療設備被開發(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)學領域，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傳感器，按照檢查目的的不同又可以分為形態(tài)學傳感器、生理功能傳感器和臨川化學傳感器等。目的不同，用途不同，分類方法也不盡相同。

2 生物傳感器的應用

在醫(yī)學中有多種檢驗方法，一般的方法是在實驗室檢驗，但是這種檢驗方法過程繁瑣，花費時間較長，逐漸無法滿足現代臨床醫(yī)學的需求，生物傳感器的出現大大改觀了這種現象。生物傳感器是化學傳感器的一種，核心部分是以諸如細胞、微生物、組織等的生物活性單元為基礎的敏感基元，傳感器捕捉到基元和目標之間的反應并將其用電信號輸出，由于生物傳感器具有操作簡單、花費時間較少等優(yōu)點，在醫(yī)學領域被廣泛關注。

2.1 原理和結構

傳感器中包含抗體、抗原、蛋白質、DNA 或者酶等生物活性材料，待測物質進入傳感器后，分子識別然后發(fā)生生物反應并產生信息，信息被化學換能器或者物理換能器轉化為聲、光、電等信號，儀器將信號輸出，我們就能夠得到待測物質的濃度。傳感器的主要組成部分是感受器和換能器，再將信號通過自動化儀表技術和微電子技術處理，就能構成各種儀器或者系統。

2.2 分類和特點

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

傳統醫(yī)學檢驗大多是酶分析法，這種方法步驟繁瑣，費用較高，而采用生物傳感器的方法，雖然試劑價格昂貴但是可以多次使用；生物傳感器有很強的轉移性，即只對特定的底物發(fā)生反應，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果；誤差能夠控制在1%以內，準確度可以保證；相對于酶分析法操作更加簡便，可以進行自動化分析；生物傳感器檢驗效率更高。上述都是生物傳感 器的優(yōu)點。

2.3 醫(yī)學領域中的運用

生物傳感器有很多種，下面針對其中幾種傳感器在醫(yī)學領域中的運用展開分析。

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消耗待測溶液中的溶解氧，放出熱量或者光，達到定量檢測待測物質的目的。相對于酶傳感器，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傳感器，數據顯示，微生物傳感器能夠檢測的物質約為60 種到70 種。微生物會受到待測物質的毒害影響，這是影響傳感器準確度和壽命的主要因素，解決了這個問題，微生物傳感器市場化指日可待。

2.3.2 酶傳感器

這種傳感器的敏感元件是固定化酶，使用酶傳感器就不需要花費大量精力去提取酶。臨床上測定尿素、葡萄糖、乳酸、天門冬酰胺等生化指標可以采用酶傳感器，例如現在的葡萄糖酶傳感器已經發(fā)展到了第四代，應用范圍廣泛，并且國際上乳酸酶傳感器技術已經相當成熟。臨床上要檢驗患者腎功能就要進行腎功能診斷，然后針對性的實施人工透析，這種情況下就要使用尿素傳感器。酶傳感器研究時間和發(fā)展時間都較長，市場上的酶傳感器已經達到了超過200 種。

2.3.3 基因傳感器

基因傳感器是近年來才出現的一種傳感器，但是技術先進，國內外也有很多專家學者針對基因傳感器進行研究，現在已經成為研究熱點之一。基因傳感器的基礎是雜交高特異性，一般基因傳感器上有30 個左右的核苷酸單鏈核酸分子，通過和靶序列雜交測定目標核酸分子。現在研究和使用較多的基因傳感器是DNA傳感器，主要用于結核桿菌、艾滋病毒和乙肝炎病毒等的檢測，從而達到診斷疾病的目的。

3 光纖傳感器的應用

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和待測量結合起來，得到被測信號的狀態(tài)，將其轉換為光信號輸出。相對于傳統傳感器，光纖傳感器反應速度更快、靈敏度高，在使用過程中不會產生電磁干擾，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域都有應用。

3.1 原理和分類

基本原理就是光經過光纖進入調制區(qū)，然后和被測參數發(fā)生作用，被測參數會使光的頻率、強度和相位等發(fā)生變化，變化后的光經過光纖通過調制器輸出被測物理量。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；按照測量對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)學領域現今應用較多的是傳光型傳感器。

3.2 傳光傳感器的應用

傳光傳感器有很多優(yōu)點，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用。

3.2.1 測量pH 值

采用光傳感器測量pH 值的原理，是利用透射光和發(fā)射光的強度隨波長分布光哭進行測定的，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，試劑會和體液混合，吸收特定波長的光，然后使用分析儀將測量這種變化，分析后即可得到組織或者血液的pH 值。

3.2.2 測量溫度

現在國內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，癌細胞可能殺不死，而如果溫度太高，正常細胞會被一起殺死，對人體有不良影響，適宜的溫度為42.5℃到45℃，因此需要采取措施監(jiān)測加熱溫度，我們可以使用光傳感器達到這個目的，已經開發(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溫度非常敏感，雖然目前用于測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到圖像傳輸的效果，將其應用于內窺鏡上能夠極大的增加內窺鏡應用范圍，這種內窺鏡具有自由度大、柔軟、直徑小的優(yōu)點，因此在使用過程中病人基本不會感受到痛苦，光內窺鏡還可以用于息肉切除等正常的醫(yī)學領域。

4 溫度傳感器的應用

溫度指標在醫(yī)學中非常重要，醫(yī)生可以依靠各個部位的溫度來診斷疾病，例如在診斷休克病人時就需要獲取其體表溫度，而一個人體表溫度升高則可能是得了感染性疾病，又如恰當的調節(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)學領域中的應用是很廣泛的，因此溫度傳感器在醫(yī)學中的應用同樣重要。

4.1 溫度傳感器的種類及應用

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)點是可靠準確、范圍廣、測量穩(wěn)定，在醫(yī)學領域有廣泛應用。例如在腫瘤治療中，如果精確的控制溫度就能強化放療的效果，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，例如半導體熱電阻和金屬熱電阻等。熱電阻傳感器的優(yōu)點是價格便宜、反應快，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，在醫(yī)學中同樣得到了大量應用。例如在玻璃或者塑料中封裝熱敏電阻，可以用來測量直腸、口腔等部位的溫度，而薄片熱敏電阻則用來測量體表溫度。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來，轉化為熱量后經過其他元件轉換，成為參數或者電量，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溫儀。

4.2 PN 結溫度傳感器

溫度會對PN 結的伏安特性產生影響，因此可以利用這個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 數字溫度傳感器

將溫度轉換為振蕩頻率的變化是數字溫度傳感器的原理，數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)明于上世紀九十年代，現在國際上已經有多種智能溫度傳感器，這是計算機技術和微電子技術結合的產物。智能溫度傳感器是一種軟硬件結合的產品，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病房多路溫度測控系統，批量測量體溫，還具備報警功能。邏輯輸出溫度傳感器就是溫度開關，在很多時候我們只關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 結束語

綜上，介紹了傳感器的組成和分類，并分析了當前常用的幾類傳感器在醫(yī)學領域的具體應用。

[1] 吳義成.基于多傳感器信息融合技術的電子診脈裝置的應用研究[J].常州工學院學報.2014,(01):36.

[2] 李博.生物傳感器的部分應用介紹[J].科技經濟市場.2013,(10):14.

[3] 張玲娜,魏娜,王興軍.生物傳感器在現代醫(yī)學模式中的應用暢想[J]. 山西國防工業(yè)職業(yè)技術學院學報.2013,(03):40.