浅析生物医疗传感器技术

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。

医用传感器

医用传感器是应用于生物医学领域的那一部分传感器，是把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现。

人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来说有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等）

医用传感器的基本要求

医用传感器作为传感器的一个重要分支，其设计与应用必须考虑人体因素的影响，考虑生物信号的特殊性、复杂性，考虑生物医学传感器的生物相容性、可靠性、安全性。

1、传感器本身具有良好的技术性能，如灵敏度、线性、迟滞、重复性、频率响应范围、信噪比、温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等。

2、传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖结构相适应，使用时，对被测组织的损害要小。

3、传感器对被测对象的影响要小，不会对生理活动带来负担，不干扰正常生理功能。

4、传感器要有足够的牢固性，引进到待测部位时，不致脱落、损坏。

5、传感器与人体要有足够的电绝缘，以保证人体安全。

6、传感器进入人体能适应生物体内的化学作用，与生物体内的化学成分相容，不易被腐蚀、对人体无不良刺激，并且无毒。

7、传感器进入血液中或长期埋于体内，不应引起血凝。

8、传感器应操作简单、维护方便，结构上便于消毒。

医用传感器的用途

检测生物体信息

如心脏手术前检测心内压力；心血管疾病的基础研究中需要检测血液的粘度以及血脂含量。

临床监护

如病人在进行手术前后需要连续检测体温、脉搏、血压、呼吸、心电等生理参数。

控制

利用检测到的生理参数，控制人体的生理过程。如电子假肢等。

检测的指标

医用传感器的分类

按应用形式分

植入式传感器、暂时植入体腔(或切口)式传感器、体外传感器、用于外部设备的传感器

按工作原理分

1、化学传感器

利用化学反应原理，把化学成分、浓度转换成电信号

化学传感器是利用化学性质与化学效应制成的传感器。这种传感器一般是通过离子选择性敏感膜将某些化学成分、含量、浓度等非电量转换成与之有对应关系的电学量。比如说：不同种类的离子敏感电极、离子敏场效应管、湿度传感器等。

生物医学用各种化学换能器测量的化学物质有：K+、Na+、Ca2+、Cl-、O2、CO2、NH3、H+、Li+ 等。

2、生物传感器

利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质

生物传感器是采用包含有生物活性物质作为分子识别系统的传感器。这个传感器一般是利用酶催化某种生化反应或者通过某种特异性的结合，检测大分子有机物质的种类及含量，就是最近半个世纪发展起来的新型传感器。比如：酶传感器，微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、DNA传感器等。

3、物理传感器

利用材料的物理变化

物理传感器是利用物理性质和物理效应制成的传感器。属于这种类型的传感器最多，比如说金属电阻应变式传感器、半导体压阻式传感器、压电式传感器、光电式传感器等。

各种物理传感器检测的内容

4、生物电电极传感器

肌体的各种生物电，包括：心电、脑电、肌电、神经元放电等

按人体器官的仿生类型分

视觉传感器

包括各种光学传感器以及其他能够替代视觉功能的传感器；

听觉传感器

包括各种拾音器、压电传感器、电容传感器以及其他能够替代听觉功能的传感器；

嗅觉传感器

包括各种气体敏感传感器以及咒他能够替代嗅觉功能的传感器。

这个分类方法有利于仿生传感器的开发。

除了广述列举的常见传感器分类方法以外，还会根据传感器材料、传感器结构、能量转换分式等多种分类方法，都具有各自的优点与局限性。

除了这些常规的医用传感器设备，随着可穿戴设备和物联网应用的不断创新和发展，在医疗领域和远程监护方案中，新应用不断投入使用或即将临床试验通过。

纳米智能线监测人体机能

肌肉与髋关节的诊断往往很复杂，且价格不菲。人一旦意识到这些部位有所不适，往往为时已晚。较深的伤口与手术内切口情况也是如此。

有一种传感器可以无缝植入人体，并且能在体外接收到实时监控信息。首先它不会引发感染或机体免疫反应。同时，这种传感器在嵌入之后还不能影响组织的正常机能，比如肌肉的拉伸性。

现今的医学传感器都是刚性的，这就导致它们无法监测皮肤等组织。但很多器官和组织都是三维的多层生物结构。监测这些组织就需要线这样的传感器。

用浸有液体的细线缝合伤口

纳米材料可以是有机的也可以是无机的，可以具有生物活性也可以是惰性的，它还可以被设计成具有某些物理化学特性的医学传感器，比如，多样性的碳纳米管。它的导电性是可以定制的，也正因如此，碳纳米管正逐渐成为新一代传感器和晶体管的基体材料。此外，碳纳米管还可以监测DNA和蛋白质单分子。有机纳米聚苯胺同样有广泛应用，它最显著的特性就是其导电性取决于环境的酸碱度。

将普通线头浸入含有不同纳米材料的液体，然后迅速将其烘干。这些线头的性能取决于溶液中纳米材料的特性。

将具有碳纳米管和硅涂层的柔性橡胶纤维制作成传感线头，它就可以检测物理应力。当这种传感线头受到拉伸时，它的导电性就会改变，我们就能够在机体外部检测到这种变化。

把它植入人体，它就可以用来监测伤口愈合和肌肉拉伤状况。当有异常应变发生时，说明伤口在缓慢愈合，或者装置放置不当。这就可以及时提醒医生和患者做出相应调整。

将一根线头涂覆碳纳米管和聚苯胺纳米纤维，另一根涂覆银和氯化银，检测两根线头间的电流强度可以检测组织酸度，这是判断伤口是否受感染的重要依据。

葡萄糖氧化酶跟葡萄糖反应会产生电信号，因此涂覆葡萄糖氧化酶的传感线头就可以监测人体血糖水平。同样的道理，在导电线头中涂覆其他一些纳米材料还可以监测血液中的钠、钾含量，它们是血液代谢的标志物。

用物理化学方法做成的智能线头可以将检测信息传送到皮肤表面的发射器上

除了感应能力，很多材料的线头还有一个有用特性：芯吸。它可以利用毛细效应疏导液体，跟灯芯输运液蜡维持火焰是一个道理。

棉线可以将细胞间隙的液体输运到体内各处的传感线头。传感线头将电信号传递给皮肤外表的一个装有纽扣电池和小天线的弹性装置。该装置将信号放大并且数字化，最后将信号无线传输给智能手机等设备。这样，医生就可以持续地对患者的健康状况进行远程监控。

这种集成化的无线监控系统有很多优势。首先，患者更自由了，没必要非得住院。其次，实时收集的数据为医生提供了更准确的参考信息。另外，它还降低了医疗成本。

线头有很广泛的应用前景。糖尿病患者的伤口有难以愈合的风险，这可能会导致感染，甚至截肢。用传感线头缝合则可以让医生在早期就发现问题，并及时做出反应以防止病情进一步恶化。传感线头还可以做成绷带、伤口敷料甚至医院床单，它可以在病情失控前就发出预警。

无线心脏传感器

心力衰竭是老年人最常见的住院病因，心衰患者怎样在家就能得到很好的监测呢？如果能够随时监测患者的心脏收缩、心脏舒张以及平均肺动脉压等监测数据，调整患者的治疗方案，是否可以减少了心衰病人的住院时间。

心衰患者的无线、植入式血流动力学监测系统包括一个永久植入肺动脉的传感器/监控器，一个经静脉导管用于传送和部署传感器，一个电子系统用于获取和处理来自传感器的信号，并将肺动脉压力测量值传送到一个安全的数据库。

遵照程序，病人在家里无线监测其肺动脉压力，数据立即传送到安全的数据库，供医生可通过网站实时监测。

结果显示，应用无线植入器进行远程血液动力学监测，以指导心衰治疗，可有效降低慢性心衰患者（CHF）术后18个月的心衰住院率。

既往结果表明，随访6个月时，肺动脉压指导治疗组的心衰住院率较标准药物治疗组降低30%。而此次的18个月随访结果发现，肺动脉压指导治疗组的心衰住院率较标准药物治疗组进一步降低达39%。

织入袜子的温度传感器

一款可以检测糖尿病患者健康状况的智能袜子，可以通过温度传感器检测患者是否出现了炎症。

OFweek传感器网讯 近日，据媒体报道，CES 2017上出现了一款可以检测糖尿病患者健康状况的智能袜子，它来自初创的企业Siren Care。该袜子可以通过温度传感器检测患者是否出现了炎症。

据悉，1型和2型糖尿病最容易出现足部肿胀的状况，假如没有及时检测出来，肿胀会演变为更加严重的疾病，造成患者足部感染，甚至需要截肢。因此，对足部的状况监测可以保证提早预防各种并发症的发生。这款智能袜子的内置传感器就能对早期检测起到关键作用。

智能袜子虽然是一款可穿戴设备，但不需要经常充电。每个袜子的内置电池都充满电量，可以使用六个月。只要穿上袜子，其内置传感器会自动启动。袜子一旦被脱下，传感器则会自动关闭，进入睡眠模式。

此外，这款袜子支持机洗，患者至少可以穿六个月，所有的数据都存储于袜子的传感器、手机App以及云盘中。当足部出现损伤时，袜子可以检测到高温差，然后通过App会发出警报，提醒患者足部出现了问题。

智能健身T恤的内置心率传感器和GPS定位

这款健身数据跟踪设备可以直接在 T 恤里面完成健身数据的跟踪。

T恤采用无袖设计，它里面缝合了运动传感器，并且是嵌入织物当中，很薄且不引人注意。这就意味着，运动者无需佩戴额外的监测设备，比如腕带设备或者是胸前设备。另外，这个T恤还设计了一个小型传感器，位于后领上。

这个传感器上还附带有GPS，可用于确定运动员的速度，距离和加速度。另外，官方还打造了一个专门的iPad应用，可以实时显示数据，允许教练跟踪每个运动员的表现，并根据需要调整训练计划，有效地监控训练营期间的工作量。

检测癌症的“薄膜”传感器

一种新型生物电化学检测芯片，是基于聚合物自组装膜制备的生物电化学传感器，它将使癌细胞的检测变得如同血糖仪检查一样简单，为癌症的提早预防提供可能。

目前，国内各大医院常用的体液检测手段是免疫固定电泳法，其检测成本高、设备要求严、检测时间长，让大量的患者失去了治疗疾病的黄金时期。这款薄膜生物电化学传感器以患者发病早期血液中会分泌出极其微量的单克隆球蛋白及游离轻链为契机，将识别此蛋白的抗体嫁接于电极表面的高分子微孔膜基体，通过二者的专一识别性，在电化学工作站的帮助下，放大成化学信号，成功实现在发病初期检查癌细胞的功能。

进行临床试验，从样品采集到注入、检测和医疗分析等整个过程，仅仅耗时10分钟，且成本低、精确性好。该项技术与医院常使用的免疫固定电泳法相比，检测灵敏性提高了500倍。不仅如此，该项技术配套的检测设备成本仅8万元，降低了检测准入，可广泛应用。

作为一种新型生物传感器使用平台，此技术可以运用到更广阔的技术领域，如白血病、尿毒症、淋巴癌、肝癌等重症的提早诊断，甚至在环境监测、军用探测领域取得更长远的发展。

用呼吸检测疾病的传感器

我们的呼吸中含有一系列关于自身健康的信息，它们以分子形态存在，其存在与否和浓度可以作为疾病检测的生物标记物，有一种能检测许多不同分子，并将这些生物标记物与17种疾病相关连的呼吸传感器。

人体呼出的气中含有氮气、二氧化碳和氧气，以及少量的100多种挥发性化学成分。这些物质的相对数量会根据人体健康状况而变化。比如，糖尿病就会产生一丝甜味。

不过目前的呼吸分析仪大多集中在单一类型的疾病，只会检测单个标记物，其使用范围和筛选能力也有限。

使用质谱来鉴定与疾病相关的呼吸成分，让研究人员发现，基于不同量的13种成分，每种疾病会产生独特的挥发性化学印记。他们还发现，一种疾病的存在，不会妨碍其它疾病的检测，这也是以非侵入性的方式，检测和诊断各种疾病的先决条件。

这种传感器由一系列特别制备的金纳米颗粒传感器，和基于单壁碳纳米管的随机网络的传感器组成。它真正特别的地方在于，可以收集患不同疾病的数千患者的呼吸样本，并用人工智能软件找到数据中的相关性。

得益于研究中的人工智能组件，该系统对17种不同疾病的平均诊断准确性在86％，包括诸如癌症，克罗恩病，两种类型的帕金森病，先兆子痫和肺动脉高压等。

在现代医学实验技术成熟前，医生曾通过闻病人的呼吸来诊断一些疾病，寻找疾病线索。现在看来，这种靠呼吸来检测疾病的方法，由人工智能实现的更加精准。

纳米荧光传感器准确切除肿瘤组织

一种新型纳米荧光传感器可以特异性地在肿瘤组织“打开”并发出荧光，帮助医生准确切除肿瘤组织，并在最大程度上保留正常组织。

据研究人员报道，这项突破性的技术适用于任何类型的肿瘤，研究人员将这种纳米探针注射到小鼠的肿瘤组织后，一旦接触肿瘤细胞，这种探针就会打开并照亮肿瘤组织。

人肿瘤组织偏酸性，研究人员利用了肿瘤组织的这个特点。

对许多肿瘤而言，手术是首选治疗方案。但是要完全清除肿瘤组织并尽可能保留正常组织在目前仍然是一个巨大的挑战，因为目前的影像技术不够灵敏，无法准确区分肿瘤组织与非肿瘤组织。

而这项新技术使用了临床批准的荧光染料，可以通过全世界医院正在使用的标准照相机进行成像。这种纳米探针就像传感器一样，只有所处环境的pH值低于阈值时，它才会打开并发出荧光。

研究人员在小鼠头颈癌模型中进行了实验，他们发现在手术中使用这种探针具有极强的特异性和敏感性，它甚至可以照亮直径小于1mm的肿瘤结节。

进行手术时，这种探针可以为外科医生准确描绘出肿瘤边界。这是一种纳米尺度的开关技术，迄今为止还没有任何一项技术具有这么高的精确度。

制备这种探针相对简单，因此成本也不高，这项技术可以用于人体内肿瘤边界的检测。

让脑细胞发光的神奇传感器

有一种最新型的生物发光传感器，可以让单个的脑细胞像萤火虫那样，在黑暗中闪闪发光熠熠生辉。它通过对荧光素酶这种生物酶进行基因改造而发明出来。很多生物，比如萤火虫，之所以会发光就是利用了这种酶。

那么，这种研究方法可以用来做什么呢？答案是：追踪大脑中大型神经网络的内部互动情况。

长期以来，神经系统科学家依靠电讯号纪录神经元的活动。该方式虽然能起到很好的检测效果，但却只能用于少量神经元。而这种新方法可以使用光学技术，同时记录数百个神经元的活动。

光学纪录的方式一般使用荧光，这需要很强烈的外部光源。它带来的副作用就是引起生物组织发热并且直接一些生物进程，尤其是那些对光敏感的活动。

如果他们把发光现象和光遗传学相结合，就可以创造一种新的生物手段，通过光来控制活体组织中的细胞，尤其是神经元细胞——这将成为研究大脑活动的强有力新型武器。

研究人员把发光感应器附在一种病毒上，该病毒可以感染神经元，这样感应器就进入了神经元细胞内部。听起来还蛮吓人的对不对？然后研究人员选择钙离子作为神经元活动的信号标志。首先，感应器一旦遇到钙离子就会发光；其次，钙离子参与神经元的活化过程——神经元外的周围环境中钙含量往往较高，但是细胞内部含量很低，但是在神经元受到来自“邻居（另一个神经元）”的刺激时，钙含量会短暂达到尖峰水平。传感器通过增亮和变暗来响应钙浓度的变化 —— 这证明感应器对一群神经元能同样起到检测作用。

看这幅照片，神经元被感应器发出的光芒点亮，想不想茫茫宇宙中一颗耀眼的星星？本来人体中就蕴含着浩如烟海的未解之谜，希望这个颇具传奇色彩的发现能带给人类更多答案。

传感器因其处在采集数据的最前哨，在医疗健康领域一直是个重要角色。结合新材料、纳米技术、生物技术，以及供电技术、新型通讯技术等相关传感器领域的周边技术发展，催生了一批以创新传感器技术为核心的医疗健康新兴产品与服务模式。新型的医疗传感器具有更灵敏、微型化、便捷、成本低、无创或者微创、互联性等优点。 为人类医学的进步发展起到了不可磨灭的贡献。