医用传感器的工作原理和分类方法

医用传感器可以视为一套信息变换装置，将人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息，它作为医学仪器与人体之间的重要环节，在医疗诊断、医学仪器研制、医学研究等诸多方面占有非常重要的地位，是一门十分综合的科学和技术。

随着社会的不断发展，各种新技术开始在医学领域中得到充分的运用，例如医用传感器。

近年来，层出不穷的现代创新医疗器械产品，大大提高了患者的治疗效率与治疗效果，这一切的背后，离不开医用传感器的功劳。而且医用传感器是生物医学科学和技术的尖兵，它对生物医学研究的正确结论起到了至关重要的地位。

医用传感器主要是将人体生理信号转换成医学电信号，在现代医学中，医用传感器实际上是代替了医生的感觉器官并起到延伸作用，它已成为制约高水平先进医疗设备发展的关键技术和信息社会的重要技术基础。

可以说，医用传感器技术的革新必将推动现代临床医学的更快发展。

一、什么是医用传感器？

医用传感器可以视为一套信息变换装置，将人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息，它作为医学仪器与人体之间的重要环节，在医疗诊断、医学仪器研制、医学研究等诸多方面占有非常重要的地位，是一门十分综合的科学和技术。

二、医用传感器的原理

人体生理信息分为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）。

医用传感器是将物理量（机械量，力学量等）的变化转化成电学量变化的一种装置，一般由弹性元件、传感元件和测量电路组成。

弹性元件是连接被测物体与传感元件的桥梁，是医用传感器的关键部件，它的结构形状，材料，加工精度，热处理工艺等都将影响传感器性能。弹性元件的加工工艺对医用传感器性能影响很大，一般应在粗加工之后经过热处理再进行精加工，然后进行专门的时效处理，以及为了提高弹性，减小机械滞后而进行静、动加载处理。

在结构方面，要求弹性元件只受到被测物理量的作用而尽量减小其它物理量的影响。弹性元件的材料应有较高的强度和韧性，且弹性好，滞后小，疲劳极限高，有较好的淬透性。弹性元件的形状按受力和变形分为悬臂梁、简支梁、纯弯曲型、拉压杆、空心圆轴、圆环、园薄片和薄壁管等形状，根据不同的用途可以选用不同的形式。

医用传感器是医用生物医学技术与工程技术的不断发展与结合的产物。

三、医用传感器的分类

在医学领域，传感器种类繁多，目的用途各异，基于不同的分类基准，有不同的分类。一般医用传感器的分类如下：

1、按应用形式分类

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、可食用传感器。

2、按检测种类分类

位移传感器、流量传感器、温度传感器、速度传感器、压力传感器、图像传感器等。

3、按工作原理分类

按工作原理主要分为：物理传感器、生物传感器、化学传感器、生物电极传感器。

四、医用传感技术的基本要求及发展情况

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。

相关医疗专业人士表示，医疗器械要求的故障率不能超过万分之一，医用传感器作为各种医疗设备的核心部分，性能要求更是严格。

就拿最近各国都争先抢购的呼吸机来说，一台总重量不超过1.5公斤的呼吸机，牵涉到的零配件超过100种，其中最重要的核心硬件一个是马达，另一个就是传感器。比如呼吸机中应用历史最久的流量传感器，它的性能好坏会直接影响到呼吸机参数的准确性和可靠性。

因此，医用传感器的主要技术要求有以下8个方面：

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。

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。

未来，医用传感器技术有两个发展方向，一个是传感器本身的研究开发，另一个是传感器与计算机信息技术相结合的系统研究开发。

其中传感器本身的研究开发又有两个分支，一个是有关传感器基础研究，即研究传感器所需要的新技术和新原理。

近年来，医用传感器产品开发则越来越热，将传感器技术产品化在医疗器械产品领域更是日益火爆，一时间，可穿戴，人工智能AI，手术机器人等创新型医疗产品犹如雨后春笋一般层出不穷。

现代医用传感器技术已经摆脱了传统医用传感器体积大，性能差等技术缺点，形成了智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测等新的发展方向。

医用传感器的发展已经是制约高端、先进医疗设备发展的关键技术之一，同时也是促进医学发展的主要动力之一。

五、医用传感器在临床医学上的主要应用

医用传感器的应用大大降低了人工成本，并且有效降低了错误产生率，提高了疾病诊断的可靠性和精确性。在临床医学上主要应用在以下几个方面：

（1）提供诊断用生物体信息：如心音、血压、脉搏、血流、呼吸、体温等信息，供临床诊断和医学研究用。如心脏手术前检测心内压力；心血管疾病的基础研究中检测血液的粘度以及血脂含量。

（2）临床监护：长时间连续测定某些参量，监视这些参数是否处于规定的范围内，以便了解病人的恢复过程，出现异常时及时报警。如病人在进行手术前后需要连续监测体温、脉搏、血压、呼吸、心电等生理参数。

（3）人体控制：利用监测到的生理参数控制人体的生理过程。例如自动呼吸器就是用传感器检测病人的呼吸信号来控制呼吸器的动作，使人与正常状态呼吸同步；又如电子假肢就是用测得的肌电信号控制人体假肢体的运动；再如体外循环的血流血压控制等。该特点在康复机器人领域应用甚广。

（4）临床检验：除直接从人体收集信息外，临床上常从各种体液（血、尿、唾液等）样品获得诊断信息。（这类信息叫做生化检验信息，它是利用化学传感器和生物传感器来获取，是诊断各种疾病必不可少的依据。）

六、盘点四大类创新医用传感器

当今随着传感器技术的发展以及各领域的交叉融合，医用传感器的发展日新月异，尤其是电子技术、材料技术等突飞猛进的发展，结合研究者们天马行空的想象力，医用传感器朝着智能、微型化、多参数、无线化等等方面发展，种类愈加丰富、功能日益强大。笔者通过搜集查阅近几年的资料，分以柔性传感器、植入传感器、可消化传感器和新型传感器技术四个大类进行有关创新医用传感器的介绍。

（1）柔性传感器技术

随着材料技术、电子技术的发展，柔性基质材料以其柔韧、可弯曲、延展、可穿戴等优势逐步走上历史舞台。柔性传感器兼具柔性基质材料的优点与人体相适应，不论是可穿戴设备还是植入设备都有着非常好的适应性。

应用例子：智能创可贴、智能绷带、柔性血氧计、柔性可穿戴离子型湿度传感器和可穿戴汗液传感器等。

柔性血氧计

（2）可植入传感器

可植入传感器是近年来出现的新型传感器，具有体积小、重量轻、生物相容性强等特征。可植入传感器一般自己供电并利用无线技术传输。与可消化传感器不同的是，可植入传感器通常植入皮下或器官中，获取用户的电生理或化学信号进行传输，重要用途在于精准监控生理信号有助于实现个性化医疗。传统的可植入传感器的难点是传感器本身不可降解长期存在体内损害体内周围组织或细胞造成二次感染，手术取出也会造成二次伤害，近年来生物降解的可植入传感器也在逐步走上舞台。

应用例子：“体内GPS”——ReMix系统、神经尘埃、肿瘤纳米荧光传感器和可拉伸植入式应力应变传感器等。

（3）可消化传感器

可消化传感器是近年来流行的新型传感器，通常利用可降解电子器件制成。一般的可消化传感器附着在只能药丸内部，由药丸本身或消化道液体相互作用供电，传感器工作时将检测的相关数据通过通信模块传输给智能手机或其他终端。相比传统胃镜、肠镜检查，可消化传感器成本低、使用方便，也可以减轻病人的痛苦。

应用例子：气敏传感器胶囊、可消化微型麦克风和可卷曲消化传感器等。

（4）新型生物传感器

应用例子：DermalAbyss纹身墨水、血糖监测隐形眼镜、纳米呼吸传感器和使用石墨烯检测癌细胞的传感器等。

结语：

电子医疗器械既是技术的进步也是患者的福音。未来，随着工程技术和医学科学的进步，医用传感器也必将得到迅速发展，其在现代医学领域中的应用或许也会越来越广泛和深入。而这也将促进现代医学诊断和治疗的方法得到更大的发展。到时候，受益于传感技术的发展，遗传病、心脏病、高血压、渐冻症、血液病等医学难题也可能会得到一定程度的解决。