传感器在医学领域的分类及应用

2015-05-19 19:11:52来源: 《电子测试》

    0 引言

  计算机技术、数字信号处理技术以及电子技术近年来发展迅速,相关的领域也因此得到了推进,医学领域的发展更加显著。可以看到,在医学科技领域中出现了越来越多的高科技电子产品,例如自动生化分析仪、全身伽马刀治疗系统以及多层螺旋 CT 和MRI 等,传感器在医学领域中的应用同样非常广泛,传感器能够发挥感受生命体征信息的重要作用,对推动现代医学发展有重要意义“,八五”重点科技攻关项目之一就是传感器,因此研究传感器是发展当代医学的必由之路。

  1 传感器的组成与分类

  传感器通常由两个部分组成,即转换元件和敏感元件。其中敏感元件就是能够直接响应或者感受被测量的部分,而转换元件就是将测量到的信号转化为电信号的那部分。按照现在普遍使用的分类方法,可以将传感器分为两类,其中诸如生物传感器、物理传感器和化学传感器等属于一类,这几种都是将输入信号转换为电信号 ;而力矩传感器、速度传感器、流量传感器、气敏传感器和粘度传感器等,这几种是按照输出量分类的。上述都是都是较为普及并应用广泛的传感器,在未来有广阔的发展前景。

  在过去,医生收集病人信息的方式比较简单,基本上都是“望闻问切”以及简单的检查。我国在上世纪六十年代建立了医学工程,多种高科技医疗设备被开发出来,大大丰富了医生收集病人信息的方式,也提高了诊疗和治疗的整体水平。在医学领域,传感器起到的是“耳目”的作用,传感器种类繁多,用处不一,按照诊疗目的可以分为预防传感器、检查传感器等,按照采样方式不同则可以分为体外传感器和体内传感器,按照检查目的的不同又可以分为形态学传感器、生理功能传感器和临川化学传感器等。目的不同,用途不同,分类方法也不尽相同。

  2 生物传感器的应用

  在医学中有多种检验方法,一般的方法是在实验室检验,但是这种检验方法过程繁琐,花费时间较长,逐渐无法满足现代临床医学的需求,生物传感器的出现大大改观了这种现象。生物传感器是化学传感器的一种,核心部分是以诸如细胞、微生物、组织等的生物活性单元为基础的敏感基元,传感器捕捉到基元和目标之间的反应并将其用电信号输出,由于生物传感器具有操作简单、花费时间较少等优点,在医学领域被广泛关注。

  2.1 原理和结构

  传感器中包含抗体、抗原、蛋白质、DNA 或者酶等生物活性材料,待测物质进入传感器后,分子识别然后发生生物反应并产生信息,信息被化学换能器或者物理换能器转化为声、光、电等信号,仪器将信号输出,我们就能够得到待测物质的浓度。传感器的主要组成部分是感受器和换能器,再将信号通过自动化仪表技术和微电子技术处理,就能构成各种仪器或者系统。

  2.2 分类和特点

  按照换能器种类分类,可以分为声波传感器、半导体传感器、热传感器、阻抗传感器等 ;按照分子识别元件种类分类,可以分为免疫传感器、细胞传感器和组织传感器等。

  传统医学检验大多是酶分析法,这种方法步骤繁琐,费用较高,而采用生物传感器的方法,虽然试剂价格昂贵但是可以多次使用;生物传感器有很强的转移性,即只对特定的底物发生反应,不论其浊度和颜色如何 ;再者分析速度较快,一般一分钟就能得到结果 ;误差能够控制在 1% 以内,准确度可以保证 ;相对于酶分析法操作更加简便,可以进行自动化分析 ;生物传感器检验效率更高。上述都是生物传感 器的优点。

  2.3 医学领域中的运用

  生物传感器有很多种,下面针对其中几种传感器在医学领域中的运用展开分析。

  2.3.1 微生物传感器

  微生物传感器的感受器是含有微生物的膜,工作原理是微生物会消耗待测溶液中的溶解氧,放出热量或者光,达到定量检测待测物质的目的。相对于酶传感器,微生物传感器使用稳定并且成本更低,但是使用范围不及酶传感器,数据显示,微生物传感器能够检测的物质约为 60 种到 70 种。微生物会受到待测物质的毒害影响,这是影响传感器准确度和寿命的主要因素,解决了这个问题,微生物传感器市场化指日可待。

  2.3.2 酶传感器

  这种传感器的敏感元件是固定化酶,使用酶传感器就不需要花费大量精力去提取酶。临床上测定尿素、葡萄糖、乳酸、天门冬酰胺等生化指标可以采用酶传感器,例如现在的葡萄糖酶传感器已经发展到了第四代,应用范围广泛,并且国际上乳酸酶传感器技术已经相当成熟。临床上要检验患者肾功能就要进行肾功能诊断,然后针对性的实施人工透析,这种情况下就要使用尿素传感器。酶传感器研究时间和发展时间都较长,市场上的酶传感器已经达到了超过 200 种。

  2.3.3 基因传感器

  基因传感器是近年来才出现的一种传感器,但是技术先进,国内外也有很多专家学者针对基因传感器进行研究,现在已经成为研究热点之一。基因传感器的基础是杂交高特异性,一般基因传感器上有 30 个左右的核苷酸单链核酸分子,通过和靶序列杂交测定目标核酸分子。现在研究和使用较多的基因传感器是 DNA传感器,主要用于结核杆菌、艾滋病毒和乙肝炎病毒等的检测,从而达到诊断疾病的目的。

    3 光纤传感器的应用

  传播光并不是光纤的唯一用途,还可以用来交换信息。光纤可以将各种参数和待测量结合起来,得到被测信号的状态,将其转换为光信号输出。相对于传统传感器,光纤传感器反应速度更快、灵敏度高,在使用过程中不会产生电磁干扰,光纤密度小、保密性佳并且便于保存,因此光纤传感器在很多领域都有应用。

  3.1 原理和分类

  基本原理就是光经过光纤进入调制区,然后和被测参数发生作用,被测参数会使光的频率、强度和相位等发生变化,变化后的光经过光纤通过调制器输出被测物理量。按照传感原理,光纤传感器可以分为两类,即传感型传感器和传光型传感器 ;按照测量对象可以分为流量传感器、位置传感器、温度传感器、图像传感器等,医学领域现今应用较多的是传光型传感器。

 

  光纤传感器的工作原理

  3.2 传光传感器的应用

  传光传感器有很多优点,例如绝缘、体积小、不受微波和射频干扰等,在法国、日本、美国等国家都有大量应用。

  3.2.1 测量pH值

  采用光传感器测量 pH 值的原理,是利用透射光和发射光的强度随波长分布光哭进行测定的,在纤维素膜盒中插入两条光纤,然后将针头插入血管或者组织中,试剂会和体液混合,吸收特定波长的光,然后使用分析仪将测量这种变化,分析后即可得到组织或者血液的 pH 值。

 

  测定 pH 值

  3.2.2 测量温度

  现在国内外普遍采用微波加热疗法治疗癌症,但是加热的温度难以控制,如果温度太低,癌细胞可能杀不死,而如果温度太高,正常细胞会被一起杀死,对人体有不良影响,适宜的温度为42.5℃到 45℃,因此需要采取措施监测加热温度,我们可以使用光传感器达到这个目的,已经开发出的一种就是使用钽酸锂晶体制作的,由于晶体的双折射特性因而对温度非常敏感,虽然目前用于测量温度的光纤传感器仍然处于研究阶段,但是需求量较大。

  3.2.3 传输图像

  原理是将多根光纤组成光纤束达到图像传输的效果,将其应用于内窥镜上能够极大的增加内窥镜应用范围,这种内窥镜具有自由度大、柔软、直径小的优点,因此在使用过程中病人基本不会感受到痛苦,光内窥镜还可以用于息肉切除等正常的医学领域。

  4 温度传感器的应用

  温度指标在医学中非常重要,医生可以依靠各个部位的温度来诊断疾病,例如在诊断休克病人时就需要获取其体表温度,而一个人体表温度升高则可能是得了感染性疾病,又如恰当的调节保温箱,能够给新生儿营造舒适的环境等。这些例子都说明温度在医学领域中的应用是很广泛的,因此温度传感器在医学中的应用同样重要。

    4.1 温度传感器的种类及应用

  4.1.1 热电偶式

  回路由两种不同的金属组成,如果触电温度不同,那么就会有电流通过回路,这就是热电偶式传感器的原理。这种传感器的优点是可靠准确、范围广、测量稳定,在医学领域有广泛应用。例如在肿瘤治疗中,如果精确的控制温度就能强化放疗的效果,因此使用热电偶传感器将肿瘤周围温度控制在 43℃,提高了治疗肿瘤的疗效。

  4.1.2 热电阻式

  主要是使用热敏电阻,这是一种对温度很敏感的元件,可以使用热敏电阻来制作探头,例如半导体热电阻和金属热电阻等。热电阻传感器的优点是价格便宜、反应快,并且工艺较为成熟,我国工业使用热敏电阻非常广泛,由于热敏电阻灵敏、体积小的特点,在医学中同样得到了大量应用。例如在玻璃或者塑料中封装热敏电阻,可以用来测量直肠、口腔等部位的温度,而薄片热敏电阻则用来测量体表温度。热电阻传感器有广阔的发展前景。

  4.1.3 热辐射式

  实际上是一种热电变换器,使用黑色表面的元件将辐射量吸收进来,转化为热量后经过其他元件转换,成为参数或者电量,常见的就是非接触式温度传感器,例如在非典期间使用广泛的红外线测温仪。

  4.2 PN 结温度传感器

  温度会对 PN 结的伏安特性产生影响,因此可以利用这个特性制作温度传感器,例如常见的有集成电路传感器、二极管和三极管温度传感器等。其中集成电路传感器应用较多,是在一片芯片上集成外围电路和温闽三极管。和热敏传感器相比,集成模拟传感器响应速度更快、灵敏度更高,并且体积较小,携带和使用都很方便。

  4.3 数字温度传感器

  将温度转换为振荡频率的变化是数字温度传感器的原理,数字温度传感器可以分为智能温度传感器和逻辑输出传感器。其中智能温度传感器也叫智能温度控制器,发明于上世纪九十年代,现在国际上已经有多种智能温度传感器,这是计算机技术和微电子技术结合的产物。智能温度传感器是一种软硬件结合的产品,其智能程度也受到软件水平的影响。智能温度传感器体积小、抗干扰并且精度较好,可以采用智能温度传感器建设病房多路温度测控系统,批量测量体温,还具备报警功能。逻辑输出温度传感器就是温度开关,在很多时候我们只关心温度是否超出了范围,如果有这种需求则可以采用逻辑输出温度传感器。

  5 结束语

  综上,介绍了传感器的组成和分类,并分析了当前常用的几类传感器在医学领域的具体应用。


 

关键字:医学  领域  分类  应用

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2015/0519/article_5743.html
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