醫(yī)學領域常用傳感器的應用盤點

寂靜天花板

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,，“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)展當代醫(yī)學的必由之路。
1 h4 I: }# p7 v5 t$ @  p' O; i+ P; B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)的領域也因此得到了推進，醫(yī)學領域的發(fā)展更加顯著,�,？梢钥吹剑�在醫(yī)學科技領域中出現(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(xiàn)代醫(yī)學發(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)展當代醫(yī)學的必由之路,。
　　
0 V$ Q/ G2 i8 g4 O& |3 D1 傳感器的組成與分類
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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用廣泛的傳感器,，在未來有廣闊的發(fā)展前景,。
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" x& u9 C" B  p9 I: Q3 A$ t+ _+ X# x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(nèi)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
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' Y" F' S! o" g' t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(xiàn)代臨床醫(yī)學的需求,，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(guān)注,。
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# J1 ~; x& i/ G& U2.1 原理和結(jié)構(gòu)
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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)生生物反應并產(chǎn)生信息,，信息被化學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
　　
% I  k4 G" n; b9 z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。
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" X: v* w( N) W7 S9 b傳統(tǒng)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(zhuǎn)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(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,。
　　
9 R7 h7 G4 w3 E# n  ~1 I2.3.1 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。
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2.3.2 酶傳感器
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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,，應用范圍廣泛，并且國際上乳酸酶傳感器技術(shù)已經(jīng)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(jīng)達到了超過 200 種,。
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2.3.3 基因傳感器
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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�,；�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�,，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,，從而達到診斷疾病的目的,。

# w9 I- F" y$ u, O# z) ~3 光纖傳感器的應用
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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域都有應用,。
　
4 ]6 V5 Z! d& h2 u3.1 原理和分類
　　
+ [, }0 Z! G) y" Y, M0 F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)學領域現(xiàn)今應用較多的是傳光型傳感器,。
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1 C8 H% ^; {" {9 q) H3.2 傳光傳感器的應用
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# T" D* K% h& @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。
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7 k' N& F3 z6 o0 |+ A/ w3.2.1 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
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/ U5 r9 Z0 N, G, W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
　　
) ], A0 K0 S" A) B2 I- v6 P原理是將多根光纖組成光纖束達到圖像傳輸?shù)男Ч�,，將其應用于�?nèi)窺鏡上能夠極大的增加內(nèi)窺鏡應用范圍，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)學領域,。
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6 Q- m3 P4 L, E! S. b4 溫度傳感器的應用
　　
0 n4 w0 E" y3 ^& e0 V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?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
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4.1.1 熱電偶式
　　
) W; u2 _' c+ D/ j6 h2 T' p% P% U, f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,。
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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
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4 p. [- i2 n* m+ Z. U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,。
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* g/ j& c- ~6 W4.2 PN 結(jié)溫度傳感器
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: t4 }/ g0 A! w- K+ H8 j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。
　　
# Z* F, Q4 [" P$ m0 g4.3 數(shù)字溫度傳感器
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1 z  w5 C1 X2 y4 S+ X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,。
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互通有無

請問這些傳感器都有哪些好的生產(chǎn)商好品牌

吳十六

有同學在GE做醫(yī)療設備,，好像主要工作就是搭起精度足夠的移動架子來拼傳感器

yangxunua

我實習的醫(yī)療器械公司,，還沒有做這么高端的設備呢一 一+