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標題: 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用傳感器的應(yīng)用盤點 [打印本頁]

作者: 寂靜天花板 時間: 2015-8-17 12:13
標題: 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用傳感器的應(yīng)用盤點
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,，“八五”重點科技攻關(guān)項目之一就是傳感器,，因此研究傳感器是發(fā)展當(dāng)代醫(yī)學(xué)的必由之路,。
計算機技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(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,，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,，對推動現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展有重要意義“,，八五”重點科技攻關(guān)項目之一就是傳感器，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)或者感受被測量的部分,，而轉(zhuǎn)換元件就是將測量到的信號轉(zhuǎn)化為電信號的那部分,。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轉(zhuǎn)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(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(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(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之間的反應(yīng)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(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,，待測物質(zhì)進入傳感器后，分子識別然后發(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,，儀器將信號輸出,，我們就能夠得到待測物質(zhì)的濃度。傳感器的主要組成部分是感受器和換能器,，再將信號通過自動化儀表技術(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
　　
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(tǒng)醫(yī)學(xué)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(zhuǎn)移性,，即只對特定的底物發(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(xué)領(lǐng)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(xué)領(lǐng)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(zhì)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(shù)據(jù)顯示,，微生物傳感器能夠檢測的物質(zhì)約為 60 種到 70 種,。微生物會受到待測物質(zhì)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(xiàn)在的葡萄糖酶傳感器已經(jīng)發(fā)展到了第四代,，應(yīng)用范圍廣泛,，并且國際上乳酸酶傳感器技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)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(jīng)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(xiàn)的一種傳感器，但是技術(shù)先進,，國內(nèi)外也有很多專家學(xué)者針對基因傳感器進行研究,，現(xiàn)在已經(jīng)成為研究熱點之一,。基因傳感器的基礎(chǔ)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(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，從而達到診斷疾病的目的,。

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)和待測量結(jié)合起來,，得到被測信號的狀態(tài),，將其轉(zhuǎn)換為光信號輸出。相對于傳統(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)過光纖進入調(diào)制區(qū),，然后和被測參數(shù)發(fā)生作用，被測參數(shù)會使光的頻率,、強度和相位等發(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(xué)領(lǐng)域現(xiàn)今應(yīng)用較多的是傳光型傳感器,。

3.2 傳光傳感器的應(yīng)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(yīng)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(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(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?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，因此在使用過程中病人基本不會感受到痛苦,，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
　　
溫度指標在醫(yī)學(xué)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(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(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(dǎo)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(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,，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(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溫儀,。
　　
4.2 PN 結(jié)溫度傳感器
　　
溫度會對 PN 結(jié)的伏安特性產(chǎn)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(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,，這是計算機技術(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)病房多路溫度測控系統(tǒng),，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(guān),，在很多時候我們只關(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,。

作者: 互通有無 時間: 2015-8-17 13:33
請問這些傳感器都有哪些好的生產(chǎn)商好品牌

作者: 吳十六 時間: 2015-8-17 15:53
有同學(xué)在GE做醫(yī)療設(shè)備,，好像主要工作就是搭起精度足夠的移動架子來拼傳感器

作者: yangxunua 時間: 2015-8-17 16:23
我實習(xí)的醫(yī)療器械公司，還沒有做這么高端的設(shè)備呢一一+

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