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。

醫(yī)用傳感器

醫(yī)用傳感器是應用于生物醫(yī)學領域的那一部分傳感器，是把人體的生理信息轉(zhuǎn)換成為與之有確定函數(shù)關系的電信息的變換裝置。它所拾取的信息是人體的生理信息，而它的輸出常以電信號來表現(xiàn)。

人體生理信息有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）

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醫(yī)用傳感器的基本要求

醫(yī)用傳感器作為傳感器的一個重要分支，其設計與應用必須考慮人體因素的影響，考慮生物信號的特殊性、復雜性，考慮生物醫(yī)學傳感器的生物相容性、可靠性、安全性。

1. 傳感器本身具有良好的技術性能，如靈敏度、線性、遲滯、重復性、頻率響應范圍、信噪比、溫度漂移、零點漂移、靈敏度漂移等。

2. 傳感器的形狀和結(jié)構(gòu)應與被檢測部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應，使用時，對被測組織的損害要小。

3. 傳感器對被測對象的影響要小，不會對生理活動帶來負擔，不干擾正常生理功能。

4. 傳感器要有足夠的牢固性，引進到待測部位時，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. 傳感器進入人體能適應生物體內(nèi)的化學作用，與生物體內(nèi)的化學成分相容，不易被腐蝕、對人體無不良刺激，并且無毒。

7. 傳感器進入血液中或長期埋于體內(nèi)，不應引起血凝。

8. 傳感器應操作簡單、維護方便，結(jié)構(gòu)上便于消毒。

02

醫(yī)用傳感器的用途

檢測生物體信息

如心臟手術前檢測心內(nèi)壓力；心血管疾病的基礎研究中需要檢測血液的粘度以及血脂含量。

臨床監(jiān)護

如病人在進行手術前后需要連續(xù)檢測體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等生理參數(shù)。

控制

利用檢測到的生理參數(shù)，控制人體的生理過程。如電子假肢等。

檢測的指標

03

醫(yī)用傳感器的分類

按應用形式分

植入式傳感器、暫時植入體腔(或切口)式傳感器、體外傳感器、用于外部設備的傳感器

按工作原理分

1、化學傳感器

利用化學反應原理，把化學成分、濃度轉(zhuǎn)換成電信號

化學傳感器是利用化學性質(zhì)與化學效應制成的傳感器。這種傳感器一般是通過離子選擇性敏感膜將某些化學成分、含量、濃度等非電量轉(zhuǎn)換成與之有對應關系的電學量。比如說：不同種類的離子敏感電極、離子敏場效應管、濕度傳感器等。

生物醫(yī)學用各種化學換能器測量的化學物質(zhì)有：K+、Na+、Ca2+、Cl-、O2、CO2、NH3、H+、Li+ 等。

2、生物傳感器

利用生物活性物質(zhì)選擇性識別來測定生化物質(zhì)

生物傳感器是采用包含有生物活性物質(zhì)作為分子識別系統(tǒng)的傳感器。這個傳感器一般是利用酶催化某種生化反應或者通過某種特異性的結(jié)合，檢測大分子有機物質(zhì)的種類及含量，就是最近半個世紀發(fā)展起來的新型傳感器。比如：酶傳感器，微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、DNA傳感器等。

3、物理傳感器

利用材料的物理變化

物理傳感器是利用物理性質(zhì)和物理效應制成的傳感器。屬于這種類型的傳感器最多，比如說金屬電阻應變式傳感器、半導體壓阻式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器等。

各種物理傳感器檢測的內(nèi)容

4、生物電電極傳感器

肌體的各種生物電，包括：心電、腦電、肌電、神經(jīng)元放電等

按人體器官的仿生類型分

視覺傳感器

包括各種光學傳感器以及其他能夠替代視覺功能的傳感器；

聽覺傳感器

包括各種拾音器、壓電傳感器、電容傳感器以及其他能夠替代聽覺功能的傳感器；

嗅覺傳感器

包括各種氣體敏感傳感器以及咒他能夠替代嗅覺功能的傳感器。

這個分類方法有利于仿生傳感器的開發(fā)。

除了廣述列舉的常見傳感器分類方法以外，還會根據(jù)傳感器材料、傳感器結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換分式等多種分類方法，都具有各自的優(yōu)點與局限性。

除了這些常規(guī)的醫(yī)用傳感器設備，隨著可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)應用的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，在醫(yī)療領域和遠程監(jiān)護方案中，新應用不斷投入使用或即將臨床試驗通過。

納米智能線監(jiān)測人體機能

肌肉與髖關節(jié)的診斷往往很復雜，且價格不菲。人一旦意識到這些部位有所不適，往往為時已晚。較深的傷口與手術內(nèi)切口情況也是如此。

有一種傳感器可以無縫植入人體，并且能在體外接收到實時監(jiān)控信息。首先它不會引發(fā)感染或機體免疫反應。同時，這種傳感器在嵌入之后還不能影響組織的正常機能，比如肌肉的拉伸性。

現(xiàn)今的醫(yī)學傳感器都是剛性的，這就導致它們無法監(jiān)測皮膚等組織。但很多器官和組織都是三維的多層生物結(jié)構(gòu)。監(jiān)測這些組織就需要線這樣的傳感器。

用浸有液體的細線縫合傷口

納米材料可以是有機的也可以是無機的，可以具有生物活性也可以是惰性的，它還可以被設計成具有某些物理化學特性的醫(yī)學傳感器，比如，多樣性的碳納米管。它的導電性是可以定制的，也正因如此，碳納米管正逐漸成為新一代傳感器和晶體管的基體材料。此外，碳納米管還可以監(jiān)測DNA和蛋白質(zhì)單分子。有機納米聚苯胺同樣有廣泛應用，它最顯著的特性就是其導電性取決于環(huán)境的酸堿度。

將普通線頭浸入含有不同納米材料的液體，然后迅速將其烘干。這些線頭的性能取決于溶液中納米材料的特性。

將具有碳納米管和硅涂層的柔性橡膠纖維制作成傳感線頭，它就可以檢測物理應力。當這種傳感線頭受到拉伸時，它的導電性就會改變，我們就能夠在機體外部檢測到這種變化。

把它植入人體，它就可以用來監(jiān)測傷口愈合和肌肉拉傷狀況。當有異常應變發(fā)生時，說明傷口在緩慢愈合，或者裝置放置不當。這就可以及時提醒醫(yī)生和患者做出相應調(diào)整。

將一根線頭涂覆碳納米管和聚苯胺納米纖維，另一根涂覆銀和氯化銀，檢測兩根線頭間的電流強度可以檢測組織酸度，這是判斷傷口是否受感染的重要依據(jù)。

葡萄糖氧化酶跟葡萄糖反應會產(chǎn)生電信號，因此涂覆葡萄糖氧化酶的傳感線頭就可以監(jiān)測人體血糖水平。同樣的道理，在導電線頭中涂覆其他一些納米材料還可以監(jiān)測血液中的鈉、鉀含量，它們是血液代謝的標志物。

用物理化學方法做成的智能線頭可以將檢測信息傳送到皮膚表面的發(fā)射器上

除了感應能力，很多材料的線頭還有一個有用特性：芯吸。它可以利用毛細效應疏導液體，跟燈芯輸運液蠟維持火焰是一個道理。

棉線可以將細胞間隙的液體輸運到體內(nèi)各處的傳感線頭。傳感線頭將電信號傳遞給皮膚外表的一個裝有紐扣電池和小天線的彈性裝置。該裝置將信號放大并且數(shù)字化，最后將信號無線傳輸給智能手機等設備。這樣，醫(yī)生就可以持續(xù)地對患者的健康狀況進行遠程監(jiān)控。

這種集成化的無線監(jiān)控系統(tǒng)有很多優(yōu)勢。首先，患者更自由了，沒必要非得住院。其次，實時收集的數(shù)據(jù)為醫(yī)生提供了更準確的參考信息。另外，它還降低了醫(yī)療成本。

線頭有很廣泛的應用前景。糖尿病患者的傷口有難以愈合的風險，這可能會導致感染，甚至截肢。用傳感線頭縫合則可以讓醫(yī)生在早期就發(fā)現(xiàn)問題，并及時做出反應以防止病情進一步惡化。傳感線頭還可以做成繃帶、傷口敷料甚至醫(yī)院床單，它可以在病情失控前就發(fā)出預警。

無線心臟傳感器

心力衰竭是老年人最常見的住院病因，心衰患者怎樣在家就能得到很好的監(jiān)測呢？如果能夠隨時監(jiān)測患者的心臟收縮、心臟舒張以及平均肺動脈壓等監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整患者的治療方案，是否可以減少了心衰病人的住院時間。

心衰患者的無線、植入式血流動力學監(jiān)測系統(tǒng)包括一個永久植入肺動脈的傳感器/監(jiān)控器，一個經(jīng)靜脈導管用于傳送和部署傳感器，一個電子系統(tǒng)用于獲取和處理來自傳感器的信號，并將肺動脈壓力測量值傳送到一個安全的數(shù)據(jù)庫。

遵照程序，病人在家里無線監(jiān)測其肺動脈壓力，數(shù)據(jù)立即傳送到安全的數(shù)據(jù)庫，供醫(yī)生可通過網(wǎng)站實時監(jiān)測。

結(jié)果顯示，應用無線植入器進行遠程血液動力學監(jiān)測，以指導心衰治療，可有效降低慢性心衰患者（CHF）術后18個月的心衰住院率。

既往結(jié)果表明，隨訪6個月時，肺動脈壓指導治療組的心衰住院率較標準藥物治療組降低30%。而此次的18個月隨訪結(jié)果發(fā)現(xiàn)，肺動脈壓指導治療組的心衰住院率較標準藥物治療組進一步降低達39%。

織入襪子的溫度傳感器

一款可以檢測糖尿病患者健康狀況的智能襪子，可以通過溫度傳感器檢測患者是否出現(xiàn)了炎癥。

OFweek傳感器網(wǎng)訊 近日，據(jù)媒體報道，CES 2017上出現(xiàn)了一款可以檢測糖尿病患者健康狀況的智能襪子，它來自初創(chuàng)的企業(yè)Siren Care。該襪子可以通過溫度傳感器檢測患者是否出現(xiàn)了炎癥。

據(jù)悉，1型和2型糖尿病最容易出現(xiàn)足部腫脹的狀況，假如沒有及時檢測出來，腫脹會演變?yōu)楦訃乐氐募膊。斐苫颊咦悴扛腥荆踔列枰刂Ｒ虼耍瑢ψ悴康臓顩r監(jiān)測可以保證提早預防各種并發(fā)癥的發(fā)生。這款智能襪子的內(nèi)置傳感器就能對早期檢測起到關鍵作用。

智能襪子雖然是一款可穿戴設備，但不需要經(jīng)常充電。每個襪子的內(nèi)置電池都充滿電量，可以使用六個月。只要穿上襪子，其內(nèi)置傳感器會自動啟動。襪子一旦被脫下，傳感器則會自動關閉，進入睡眠模式。

此外，這款襪子支持機洗，患者至少可以穿六個月，所有的數(shù)據(jù)都存儲于襪子的傳感器、手機App以及云盤中。當足部出現(xiàn)損傷時，襪子可以檢測到高溫差，然后通過App會發(fā)出警報，提醒患者足部出現(xiàn)了問題。

智能健身T恤的內(nèi)置心率傳感器和GPS定位

這款健身數(shù)據(jù)跟蹤設備可以直接在 T 恤里面完成健身數(shù)據(jù)的跟蹤。

T恤采用無袖設計，它里面縫合了運動傳感器，并且是嵌入織物當中，很薄且不引人注意。這就意味著，運動者無需佩戴額外的監(jiān)測設備，比如腕帶設備或者是胸前設備。另外，這個T恤還設計了一個小型傳感器，位于后領上。

這個傳感器上還附帶有GPS，可用于確定運動員的速度，距離和加速度。另外，官方還打造了一個專門的iPad應用，可以實時顯示數(shù)據(jù)，允許教練跟蹤每個運動員的表現(xiàn)，并根據(jù)需要調(diào)整訓練計劃，有效地監(jiān)控訓練營期間的工作量。

檢測癌癥的“薄膜”傳感器

一種新型生物電化學檢測芯片，是基于聚合物自組裝膜制備的生物電化學傳感器，它將使癌細胞的檢測變得如同血糖儀檢查一樣簡單，為癌癥的提早預防提供可能。

目前，國內(nèi)各大醫(yī)院常用的體液檢測手段是免疫固定電泳法，其檢測成本高、設備要求嚴、檢測時間長，讓大量的患者失去了治療疾病的黃金時期。這款薄膜生物電化學傳感器以患者發(fā)病早期血液中會分泌出極其微量的單克隆球蛋白及游離輕鏈為契機，將識別此蛋白的抗體嫁接于電極表面的高分子微孔膜基體，通過二者的專一識別性，在電化學工作站的幫助下，放大成化學信號，成功實現(xiàn)在發(fā)病初期檢查癌細胞的功能。

進行臨床試驗，從樣品采集到注入、檢測和醫(yī)療分析等整個過程，僅僅耗時10分鐘，且成本低、精確性好。該項技術與醫(yī)院常使用的免疫固定電泳法相比，檢測靈敏性提高了500倍。不僅如此，該項技術配套的檢測設備成本僅8萬元，降低了檢測準入，可廣泛應用。

作為一種新型生物傳感器使用平臺，此技術可以運用到更廣闊的技術領域，如白血病、尿毒癥、淋巴癌、肝癌等重癥的提早診斷，甚至在環(huán)境監(jiān)測、軍用探測領域取得更長遠的發(fā)展。

用呼吸檢測疾病的傳感器醫(yī)用傳感器

我們的呼吸中含有一系列關于自身健康的信息，它們以分子形態(tài)存在，其存在與否和濃度可以作為疾病檢測的生物標記物，有一種能檢測許多不同分子，并將這些生物標記物與17種疾病相關連的呼吸傳感器。

人體呼出的氣中含有氮氣、二氧化碳和氧氣，以及少量的100多種揮發(fā)性化學成分。這些物質(zhì)的相對數(shù)量會根據(jù)人體健康狀況而變化。比如，糖尿病就會產(chǎn)生一絲甜味。

不過目前的呼吸分析儀大多集中在單一類型的疾病，只會檢測單個標記物，其使用范圍和篩選能力也有限。

使用質(zhì)譜來鑒定與疾病相關的呼吸成分，讓研究人員發(fā)現(xiàn)，基于不同量的13種成分，每種疾病會產(chǎn)生獨特的揮發(fā)性化學印記。他們還發(fā)現(xiàn)，一種疾病的存在，不會妨礙其它疾病的檢測，這也是以非侵入性的方式，檢測和診斷各種疾病的先決條件。

這種傳感器由一系列特別制備的金納米顆粒傳感器，和基于單壁碳納米管的隨機網(wǎng)絡的傳感器組成。它真正特別的地方在于，可以收集患不同疾病的數(shù)千患者的呼吸樣本，并用人工智能軟件找到數(shù)據(jù)中的相關性。

得益于研究中的人工智能組件，該系統(tǒng)對17種不同疾病的平均診斷準確性在86％，包括諸如癌癥，克羅恩病，兩種類型的帕金森病，先兆子癇和肺動脈高壓等。

在現(xiàn)代醫(yī)學實驗技術成熟前，醫(yī)生曾通過聞病人的呼吸來診斷一些疾病，尋找疾病線索。現(xiàn)在看來，這種靠呼吸來檢測疾病的方法，由人工智能實現(xiàn)的更加精準。

納米熒光傳感器準確切除腫瘤組織

一種新型納米熒光傳感器可以特異性地在腫瘤組織“打開”并發(fā)出熒光，幫助醫(yī)生準確切除腫瘤組織，并在最大程度上保留正常組織。

據(jù)研究人員報道，這項突破性的技術適用于任何類型的腫瘤，研究人員將這種納米探針注射到小鼠的腫瘤組織后，一旦接觸腫瘤細胞，這種探針就會打開并照亮腫瘤組織。

人腫瘤組織偏酸性，研究人員利用了腫瘤組織的這個特點。

對許多腫瘤而言，手術是首選治療方案。但是要完全清除腫瘤組織并盡可能保留正常組織在目前仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為目前的影像技術不夠靈敏，無法準確區(qū)分腫瘤組織與非腫瘤組織。

而這項新技術使用了臨床批準的熒光染料，可以通過全世界醫(yī)院正在使用的標準照相機進行成像。這種納米探針就像傳感器一樣，只有所處環(huán)境的pH值低于閾值時，它才會打開并發(fā)出熒光。

研究人員在小鼠頭頸癌模型中進行了實驗，他們發(fā)現(xiàn)在手術中使用這種探針具有極強的特異性和敏感性，它甚至可以照亮直徑小于1mm的腫瘤結(jié)節(jié)。

進行手術時，這種探針可以為外科醫(yī)生準確描繪出腫瘤邊界。這是一種納米尺度的開關技術，迄今為止還沒有任何一項技術具有這么高的精確度。

制備這種探針相對簡單，因此成本也不高，這項技術可以用于人體內(nèi)腫瘤邊界的檢測。

讓腦細胞發(fā)光的神奇?zhèn)鞲衅麽t(yī)用傳感器

有一種最新型的生物發(fā)光傳感器，可以讓單個的腦細胞像螢火蟲那樣，在黑暗中閃閃發(fā)光熠熠生輝。它通過對熒光素酶這種生物酶進行基因改造而發(fā)明出來。很多生物，比如螢火蟲，之所以會發(fā)光就是利用了這種酶。

那么，這種研究方法可以用來做什么呢？答案是：追蹤大腦中大型神經(jīng)網(wǎng)絡的內(nèi)部互動情況。

長期以來，神經(jīng)系統(tǒng)科學家依靠電訊號紀錄神經(jīng)元的活動。該方式雖然能起到很好的檢測效果，但卻只能用于少量神經(jīng)元。而這種新方法可以使用光學技術，同時記錄數(shù)百個神經(jīng)元的活動。

光學紀錄的方式一般使用熒光，這需要很強烈的外部光源。它帶來的副作用就是引起生物組織發(fā)熱并且直接一些生物進程，尤其是那些對光敏感的活動。

如果他們把發(fā)光現(xiàn)象和光遺傳學相結(jié)合，就可以創(chuàng)造一種新的生物手段，通過光來控制活體組織中的細胞，尤其是神經(jīng)元細胞——這將成為研究大腦活動的強有力新型武器。

研究人員把發(fā)光感應器附在一種病毒上，該病毒可以感染神經(jīng)元，這樣感應器就進入了神經(jīng)元細胞內(nèi)部。聽起來還蠻嚇人的對不對？然后研究人員選擇鈣離子作為神經(jīng)元活動的信號標志。首先，感應器一旦遇到鈣離子就會發(fā)光；其次，鈣離子參與神經(jīng)元的活化過程——神經(jīng)元外的周圍環(huán)境中鈣含量往往較高，但是細胞內(nèi)部含量很低，但是在神經(jīng)元受到來自“鄰居（另一個神經(jīng)元）”的刺激時，鈣含量會短暫達到尖峰水平。傳感器通過增亮和變暗來響應鈣濃度的變化 —— 這證明感應器對一群神經(jīng)元能同樣起到檢測作用。

看這幅照片，神經(jīng)元被感應器發(fā)出的光芒點亮，想不想茫茫宇宙中一顆耀眼的星星？本來人體中就蘊含著浩如煙海的未解之謎，希望這個頗具傳奇色彩的發(fā)現(xiàn)能帶給人類更多答案。

結(jié) 語

傳感器因其處在采集數(shù)據(jù)的最前哨，在醫(yī)療健康領域一直是個重要角色。結(jié)合新材料、納米技術、生物技術，以及供電技術、新型通訊技術等相關傳感器領域的周邊技術發(fā)展，催生了一批以創(chuàng)新傳感器技術為核心的醫(yī)療健康新興產(chǎn)品與服務模式。新型的醫(yī)療傳感器具有更靈敏、微型化、便捷、成本低、無創(chuàng)或者微創(chuàng)、互聯(lián)性等優(yōu)點。 為人類醫(yī)學的進步發(fā)展起到了不可磨滅的貢獻。