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標(biāo)題: 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用傳感器的應(yīng)用盤點(diǎn) [打印本頁]
作者: 寂靜天花板    時(shí)間: 2015-8-17 12:13
標(biāo)題: 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用傳感器的應(yīng)用盤點(diǎn)
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(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,。   b; v" U7 T4 L4 P) e0 z; I
計(jì)算機(jī)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(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(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,。* b9 B( Z( V  V2 O
　　
) y) @6 e  u: @. {+ s! K) ], B1 傳感器的組成與分類5 L+ u/ _- X+ e: {0 O
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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。
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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(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。
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2 生物傳感器的應(yīng)用
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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)并將其用電信號輸出,，由于生物傳感器具有操作簡單、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,。
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2.1 原理和結(jié)構(gòu)- R9 r; S& L# z3 f; S1 s! e* E
　　
* |" A/ n/ m/ F1 J/ C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(jìn)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),。
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2.2 分類和特點(diǎn)
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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(xì)胞傳感器和組織傳感器等,。, W- {8 A/ `) ^% c5 Q/ V
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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 ,；相對于酶分析法操作更加簡便，可以進(jìn)行自動化分析 ,；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)。/ g) t& F1 H0 }0 R3 A4 b; h
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2.3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的運(yùn)用
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% K4 U: o" P$ R' H1 m( u! n0 U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(yùn)用展開分析,。, j0 [# {0 G9 a) ?2 C' Y0 d4 s& ~
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2.3.1 微生物傳感器
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+ n3 c; [8 [1 O3 d$ f  V' v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(dá)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(zhǔn)確度和壽命的主要因素,，解決了這個(gè)問題，微生物傳感器市場化指日可待,。
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+ f% {, M+ t% J% r! {! o; ~% d2.3.2 酶傳感器  H- k% M- |' K& C
　　
' z' O0 V2 B( Z$ w) j6 f) z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(fèi)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(biāo)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(yàn)患者腎功能就要進(jìn)行腎功能診斷,，然后針對性的實(shí)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(shí)間和發(fā)展時(shí)間都較長,，市場上的酶傳感器已經(jīng)達(dá)到了超過 200 種,。! p4 [  P  ~0 j3 [+ r) B5 D' N
　　
, M! q- j2 K& P% {3 n0 G5 _/ ^2.3.3 基因傳感器: `5 \) d- y. o5 v, }
　　
- p5 R; w1 r+ t3 W( ]' j! S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,，從而達(dá)到診斷疾病的目的,。: u% q" _' R8 D
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3 光纖傳感器的應(yīng)用
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& B2 U5 S) ]; J) H$ T7 [, [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,。; j" ~' N& Y! L1 h% Q
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3.1 原理和分類3 O. n) \5 t& ^! q$ X0 E
　　
7 X$ W  D' X6 T: t! @- D3 V; G: z基本原理就是光經(jīng)過光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)，然后和被測參數(shù)發(fā)生作用,，被測參數(shù)會使光的頻率,、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,。
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3.2 傳光傳感器的應(yīng)用
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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。; T. {) v% [6 T) A9 x
　　
/ Z) p* N+ d4 T* e3.2.1 測量pH值; {0 g4 W5 L% N$ H( S
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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(qiáng)度隨波長分布光哭進(jìn)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,。
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2 L+ j/ M* \& J  n& l3.2.2 測量溫度, U) H& J6 }- c& y4 y. |* T+ S
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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(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。! c7 b4 {( v6 b8 `
　　
1 R% ]  [5 u  S% D- Q; p* t3.2.3 傳輸圖像
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  \  h7 I4 B) W% q7 p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,。
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4 溫度傳感器的應(yīng)用/ x' @- C1 k/ ]6 Z
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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,。
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7 P9 Q* T8 b% A6 M- ?, w+ a8 O4.1 溫度傳感器的種類及應(yīng)用
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4.1.1 熱電偶式
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2 p8 H, q; }8 Z% [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(diǎn)是可靠準(zhǔn)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(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,。! X, n1 h8 O2 S/ R1 x' p; A
　　
. }+ H' @& P; p1 P2 S  O8 v7 M4.1.2 熱電阻式/ B) g  Z# ^" K
　　
# Z5 X/ K# G: Z# ?: H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(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,。6 b* i9 \% ^: o( @% b
　　
8 u0 i9 D+ |/ }4.1.3 熱輻射式
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* n3 P" e: w. P9 K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溫儀,。
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; ?6 l& |5 P3 J1 E' r4.2 PN 結(jié)溫度傳感器' v8 R* m7 p+ R% s  @) r5 C3 r
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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(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。
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4.3 數(shù)字溫度傳感器
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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)病房多路溫度測控系統(tǒng),，批量測量體溫，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,。; l  u) f5 \# L1 {0 [0 J

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作者: 互通有無    時(shí)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(shí)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(shí)間: 2015-8-17 16:23
我實(shí)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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