醫(yī)用傳感器的工作原理和分類方法

醫(yī)用傳感器可以視為一套信息變換裝置，將人體的生理信息轉(zhuǎn)換成為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電信息，它作為醫(yī)學(xué)儀器與人體之間的重要環(huán)節(jié)，在醫(yī)療診斷、醫(yī)學(xué)儀器研制、醫(yī)學(xué)研究等諸多方面占有非常重要的地位，是一門十分綜合的科學(xué)和技術(shù)。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各種新技術(shù)開始在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到充分的運(yùn)用，例如醫(yī)用傳感器。

近年來，層出不窮的現(xiàn)代創(chuàng)新醫(yī)療器械產(chǎn)品，大大提高了患者的治療效率與治療效果，這一切的背后，離不開醫(yī)用傳感器的功勞。而且醫(yī)用傳感器是生物醫(yī)學(xué)科學(xué)和技術(shù)的尖兵，它對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究的正確結(jié)論起到了至關(guān)重要的地位。

醫(yī)用傳感器主要是將人體生理信號(hào)轉(zhuǎn)換成醫(yī)學(xué)電信號(hào)，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，醫(yī)用傳感器實(shí)際上是代替了醫(yī)生的感覺器官并起到延伸作用，它已成為制約高水平先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

可以說，醫(yī)用傳感器技術(shù)的革新必將推動(dòng)現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)的更快發(fā)展。

一、什么是醫(yī)用傳感器？

醫(yī)用傳感器可以視為一套信息變換裝置，將人體的生理信息轉(zhuǎn)換成為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電信息，它作為醫(yī)學(xué)儀器與人體之間的重要環(huán)節(jié)，在醫(yī)療診斷、醫(yī)學(xué)儀器研制、醫(yī)學(xué)研究等諸多方面占有非常重要的地位，是一門十分綜合的科學(xué)和技術(shù)。

二、醫(yī)用傳感器的原理

人體生理信息分為電信息和非電信息兩大類，從分布來說有體內(nèi)的（如血壓等各類壓力），也有體表的（如心電等各類生物電）和體外的（如紅外、生物磁等）。

醫(yī)用傳感器是將物理量（機(jī)械量，力學(xué)量等）的變化轉(zhuǎn)化成電學(xué)量變化的一種裝置，一般由彈性元件、傳感元件和測(cè)量電路組成。

彈性元件是連接被測(cè)物體與傳感元件的橋梁，是醫(yī)用傳感器的關(guān)鍵部件，它的結(jié)構(gòu)形狀，材料，加工精度，熱處理工藝等都將影響傳感器性能。彈性元件的加工工藝對(duì)醫(yī)用傳感器性能影響很大，一般應(yīng)在粗加工之后經(jīng)過熱處理再進(jìn)行精加工，然后進(jìn)行專門的時(shí)效處理，以及為了提高彈性，減小機(jī)械滯后而進(jìn)行靜、動(dòng)加載處理。

在結(jié)構(gòu)方面，要求彈性元件只受到被測(cè)物理量的作用而盡量減小其它物理量的影響。彈性元件的材料應(yīng)有較高的強(qiáng)度和韌性，且彈性好，滯后小，疲勞極限高，有較好的淬透性。彈性元件的形狀按受力和變形分為懸臂梁、簡(jiǎn)支梁、純彎曲型、拉壓桿、空心圓軸、圓環(huán)、園薄片和薄壁管等形狀，根據(jù)不同的用途可以選用不同的形式。

醫(yī)用傳感器是醫(yī)用生物醫(yī)學(xué)技術(shù)與工程技術(shù)的不斷發(fā)展與結(jié)合的產(chǎn)物。

三、醫(yī)用傳感器的分類

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，傳感器種類繁多，目的用途各異，基于不同的分類基準(zhǔn)，有不同的分類。一般醫(yī)用傳感器的分類如下：

1、按應(yīng)用形式分類

植入式傳感器、暫時(shí)植入體腔(或切口)式傳感器、體外傳感器、用于外部設(shè)備的傳感器、可食用傳感器。

2、按檢測(cè)種類分類

位移傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、圖像傳感器等。

3、按工作原理分類

按工作原理主要分為：物理傳感器、生物傳感器、化學(xué)傳感器、生物電極傳感器。

四、醫(yī)用傳感技術(shù)的基本要求及發(fā)展情況

醫(yī)用傳感器作為傳感器的一個(gè)重要分支，其設(shè)計(jì)與應(yīng)用必須考慮人體因素的影響，考慮生物信號(hào)的特殊性、復(fù)雜性，考慮生物醫(yī)學(xué)傳感器的生物相容性、可靠性、安全性。

相關(guān)醫(yī)療專業(yè)人士表示，醫(yī)療器械要求的故障率不能超過萬分之一，醫(yī)用傳感器作為各種醫(yī)療設(shè)備的核心部分，性能要求更是嚴(yán)格。

就拿最近各國(guó)都爭(zhēng)先搶購(gòu)的呼吸機(jī)來說，一臺(tái)總重量不超過1.5公斤的呼吸機(jī)，牽涉到的零配件超過100種，其中最重要的核心硬件一個(gè)是馬達(dá)，另一個(gè)就是傳感器。比如呼吸機(jī)中應(yīng)用歷史最久的流量傳感器，它的性能好壞會(huì)直接影響到呼吸機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

因此，醫(yī)用傳感器的主要技術(shù)要求有以下8個(gè)方面：

①傳感器本身具有良好的技術(shù)性能，如靈敏度、線性、遲滯、重復(fù)性、頻率響應(yīng)范圍、信噪比、溫度漂移、零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移等。

②傳感器的形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)與被檢測(cè)部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，使用時(shí)，對(duì)被測(cè)組織的損害要小。

③傳感器的形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)與被檢測(cè)部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，使用時(shí)，對(duì)被測(cè)組織的損害要小。

④傳感器要有足夠的牢固性，引進(jìn)到待測(cè)部位時(shí)，不致脫落、損壞。

⑤傳感器與人體要有足夠的電絕緣，以保證人體安全。

⑥傳感器進(jìn)入人體能適應(yīng)生物體內(nèi)的化學(xué)作用，與生物體內(nèi)的化學(xué)成分相容，不易被腐蝕、對(duì)人體無不良刺激，并且無毒。

⑦傳感器進(jìn)入血液中或長(zhǎng)期埋于體內(nèi)，不應(yīng)引起血凝。

⑧傳感器應(yīng)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，結(jié)構(gòu)上便于消毒。

未來，醫(yī)用傳感器技術(shù)有兩個(gè)發(fā)展方向，一個(gè)是傳感器本身的研究開發(fā)，另一個(gè)是傳感器與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)研究開發(fā)。

其中傳感器本身的研究開發(fā)又有兩個(gè)分支，一個(gè)是有關(guān)傳感器基礎(chǔ)研究，即研究傳感器所需要的新技術(shù)和新原理。

近年來，醫(yī)用傳感器產(chǎn)品開發(fā)則越來越熱，將傳感器技術(shù)產(chǎn)品化在醫(yī)療器械產(chǎn)品領(lǐng)域更是日益火爆，一時(shí)間，可穿戴，人工智能AI，手術(shù)機(jī)器人等創(chuàng)新型醫(yī)療產(chǎn)品猶如雨后春筍一般層出不窮。

現(xiàn)代醫(yī)用傳感器技術(shù)已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)醫(yī)用傳感器體積大，性能差等技術(shù)缺點(diǎn)，形成了智能化、微型化、多參數(shù)、可遙控和無創(chuàng)檢測(cè)等新的發(fā)展方向。

醫(yī)用傳感器的發(fā)展已經(jīng)是制約高端、先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時(shí)也是促進(jìn)醫(yī)學(xué)發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ弧?/p>

五、醫(yī)用傳感器在臨床醫(yī)學(xué)上的主要應(yīng)用

醫(yī)用傳感器的應(yīng)用大大降低了人工成本，并且有效降低了錯(cuò)誤產(chǎn)生率，提高了疾病診斷的可靠性和精確性。在臨床醫(yī)學(xué)上主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：

（1）提供診斷用生物體信息：如心音、血壓、脈搏、血流、呼吸、體溫等信息，供臨床診斷和醫(yī)學(xué)研究用。如心臟手術(shù)前檢測(cè)心內(nèi)壓力；心血管疾病的基礎(chǔ)研究中檢測(cè)血液的粘度以及血脂含量。

（2）臨床監(jiān)護(hù)：長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)定某些參量，監(jiān)視這些參數(shù)是否處于規(guī)定的范圍內(nèi)，以便了解病人的恢復(fù)過程，出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)報(bào)警。如病人在進(jìn)行手術(shù)前后需要連續(xù)監(jiān)測(cè)體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等生理參數(shù)。

（3）人體控制：利用監(jiān)測(cè)到的生理參數(shù)控制人體的生理過程。例如自動(dòng)呼吸器就是用傳感器檢測(cè)病人的呼吸信號(hào)來控制呼吸器的動(dòng)作，使人與正常狀態(tài)呼吸同步；又如電子假肢就是用測(cè)得的肌電信號(hào)控制人體假肢體的運(yùn)動(dòng)；再如體外循環(huán)的血流血壓控制等。該特點(diǎn)在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用甚廣。

（4）臨床檢驗(yàn)：除直接從人體收集信息外，臨床上常從各種體液（血、尿、唾液等）樣品獲得診斷信息。（這類信息叫做生化檢驗(yàn)信息，它是利用化學(xué)傳感器和生物傳感器來獲取，是診斷各種疾病必不可少的依據(jù)。）

六、盤點(diǎn)四大類創(chuàng)新醫(yī)用傳感器

當(dāng)今隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展以及各領(lǐng)域的交叉融合，醫(yī)用傳感器的發(fā)展日新月異，尤其是電子技術(shù)、材料技術(shù)等突飛猛進(jìn)的發(fā)展，結(jié)合研究者們天馬行空的想象力，醫(yī)用傳感器朝著智能、微型化、多參數(shù)、無線化等等方面發(fā)展，種類愈加豐富、功能日益強(qiáng)大。筆者通過搜集查閱近幾年的資料，分以柔性傳感器、植入傳感器、可消化傳感器和新型傳感器技術(shù)四個(gè)大類進(jìn)行有關(guān)創(chuàng)新醫(yī)用傳感器的介紹。

（1）柔性傳感器技術(shù)

隨著材料技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，柔性基質(zhì)材料以其柔韌、可彎曲、延展、可穿戴等優(yōu)勢(shì)逐步走上歷史舞臺(tái)。柔性傳感器兼具柔性基質(zhì)材料的優(yōu)點(diǎn)與人體相適應(yīng)，不論是可穿戴設(shè)備還是植入設(shè)備都有著非常好的適應(yīng)性。

應(yīng)用例子：智能創(chuàng)可貼、智能繃帶、柔性血氧計(jì)、柔性可穿戴離子型濕度傳感器和可穿戴汗液傳感器等。

柔性血氧計(jì)

（2）可植入傳感器

可植入傳感器是近年來出現(xiàn)的新型傳感器，具有體積小、重量輕、生物相容性強(qiáng)等特征?？芍踩雮鞲衅饕话阕约?a target="_blank">供電并利用無線技術(shù)傳輸。與可消化傳感器不同的是，可植入傳感器通常植入皮下或器官中，獲取用戶的電生理或化學(xué)信號(hào)進(jìn)行傳輸，重要用途在于精準(zhǔn)監(jiān)控生理信號(hào)有助于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療。傳統(tǒng)的可植入傳感器的難點(diǎn)是傳感器本身不可降解長(zhǎng)期存在體內(nèi)損害體內(nèi)周圍組織或細(xì)胞造成二次感染，手術(shù)取出也會(huì)造成二次傷害，近年來生物降解的可植入傳感器也在逐步走上舞臺(tái)。

應(yīng)用例子：“體內(nèi)GPS”——ReMix系統(tǒng)、神經(jīng)塵埃、腫瘤納米熒光傳感器和可拉伸植入式應(yīng)力應(yīng)變傳感器等。

（3）可消化傳感器

可消化傳感器是近年來流行的新型傳感器，通常利用可降解電子器件制成。一般的可消化傳感器附著在只能藥丸內(nèi)部，由藥丸本身或消化道液體相互作用供電，傳感器工作時(shí)將檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)通過通信模塊傳輸給智能手機(jī)或其他終端。相比傳統(tǒng)胃鏡、腸鏡檢查，可消化傳感器成本低、使用方便，也可以減輕病人的痛苦。

應(yīng)用例子：氣敏傳感器膠囊、可消化微型麥克風(fēng)和可卷曲消化傳感器等。

（4）新型生物傳感器

應(yīng)用例子：DermalAbyss紋身墨水、血糖監(jiān)測(cè)隱形眼鏡、納米呼吸傳感器和使用石墨烯檢測(cè)癌細(xì)胞的傳感器等。

結(jié)語(yǔ)：

電子醫(yī)療器械既是技術(shù)的進(jìn)步也是患者的福音。未來，隨著工程技術(shù)和醫(yī)學(xué)科學(xué)的進(jìn)步，醫(yī)用傳感器也必將得到迅速發(fā)展，其在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用或許也會(huì)越來越廣泛和深入。而這也將促進(jìn)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷和治療的方法得到更大的發(fā)展。到時(shí)候，受益于傳感技術(shù)的發(fā)展，遺傳病、心臟病、高血壓、漸凍癥、血液病等醫(yī)學(xué)難題也可能會(huì)得到一定程度的解決。