現(xiàn)代醫(yī)療傳感器種類及前沿應用簡介

隨著人口數(shù)量的不斷增長、人口老齡化的加重，人們需要大量的現(xiàn)代醫(yī)學奇跡。為了保持這種勢頭，越來越多的人開始尋求醫(yī)療幫助，這就需要在減少手工勞動者和人為失誤的同時提高醫(yī)療器械的可靠性和自動化處理。

為了使智能器械達到安全可靠、自動化處理的目標，應該配備傳感器。傳感器已被廣泛用于外科手術設備、加護病房、醫(yī)院療養(yǎng)和家庭護理中。已經(jīng)有很多可與醫(yī)療器械結(jié)合使用的傳感器在市面上出售。

在醫(yī)療設備制造商和傳感器專家的攜手合作下，更多尖端的科學技術將會被創(chuàng)造出來。如果很好地理解了需控制的用途和參數(shù)，那么選擇一個傳感器就變得很簡單。

最復雜的傳感器是植入式傳感器，其次是用于導管中的傳感器（通過切割的方法）、用于身體空腔中的傳感器、用于身體外部但是卻和體液相接觸的傳感器，以及外用傳感器。本文將介紹應用于上述所有用途的傳感器的詳細說明，并給出一些當前正在使用的設備范例。

植入式傳感器

植入式傳感器應當體積小，重量輕，并且和身體兼容，同時還要求其功率非常小。更重要的是，它們不能隨著時間的推移而衰變。

由于這類傳感器屬于第Ⅲ類醫(yī)療器械，因此需要有食品及藥物管理局（FDA）的批準才能使用。一般來講，這類傳感器價格非常昂貴，而且需要專家做外科手術進行移植。

對功率的要求是植入式傳感器正常工作所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。不需要功率就能發(fā)揮作用的傳感器是最完美的，可是市場尚沒有這種傳感器出售。壓電聚合傳感器體積小，可靠性高，不需要外部動力而且能長時間持續(xù)工作。這類傳感器可應用于監(jiān)視病人活動的心臟起搏器。

壓電式傳感器是一個很小的懸臂，懸臂的重量集中于一端且隨著人體的運動而跳動。每當病人運動時，傳感器就會產(chǎn)生一個信號。心臟起搏器接收到這些信號，然后使心臟也相應的博動。如果病人在休息，信號為零，則心臟起搏器會使心臟以正常頻率博動，例如大約70次/分鐘。傳感器能區(qū)分出各種活動，例如走路、跑步、或是其他身體活動。傳感器的輸出和運動量成正比。

利用外部能源給已植入的傳感器提供動力，還有其他的方法。假如人體某部位已被植入一個特別設計的傳感器，那么當將一個射頻能量束靠近該部位時，該傳感器即被激活，開始工作，并通過射頻鏈路將所得數(shù)據(jù)發(fā)回給探測器，然后再重新進入睡眠狀態(tài)。使用一個帶有天線的傳感器和一個異頻雷達收發(fā)機來完成這項功能。

舉個例子，由于腹部長了一個大動脈瘤，要求切除一部分脆弱的動脈，用人工合成的管狀器官來替代。這時，可以在手術的過程中植入一個傳感器，用來監(jiān)視手術部位的壓力泄漏。

臨時性”插入傳感器

這類傳感器要求能夠通過切口插入體內(nèi)（典型的方式是通過導管插入）。和植入式傳感器相比，這種傳感器的危險性不高。

這種傳感器的應用也很敏感，同樣需要食品及藥物管理局的批準才能使用。根據(jù)外科手術的不同，這些傳感器可能會發(fā)揮幾分鐘到幾個小時的功效。在理想情況下，這些傳感器不需要外部動力進行驅(qū)動，但是如果必要的話，也可以通過外部途徑進行驅(qū)動。

可以將一對匹配的熱敏電阻連接到導管的頂端。通過測量血液的流速，熱敏電阻可以將導管引入心臟的不同位置?？梢岳镁€圈對它們進行加熱，或者用冷鹽水沖洗的方式來測量血液流速。當用冷鹽水沖洗時，第一個傳感器測得的溫度要比第二個傳感器低，這是因為當鹽水到達第二個傳感器時，鹽水已經(jīng)被流動的血液加熱了。由于兩個溫度傳感器的間隔距離是已知的，而且鹽水的溫度和量是可控的，因此可以通過讀取兩個傳感器的輸出數(shù)據(jù)差來計算血液流速。當用冷鹽水時，這些熱敏電阻不需要外部的動力。

導管消融傳感器是另一種用切割方式“臨時性”插入的傳感器，可利用它進行特殊的治療或是在治療過程中采取某種緊急措施。消融術是一個通過有選擇地殺死某個組織來生成新疤痕組織的過程，這樣做的目的是要在心臟內(nèi)設置不同的路線發(fā)送神經(jīng)脈沖，進而醫(yī)治心率失常的疾病。射頻能量經(jīng)常被用于消融過程。實施消融術的關鍵是要注意導管頭對目標組織所施加的力不能超過事先設定的值，以避免刺穿目標組織。微熔術傳感器技術是利用一個空間受力感應系統(tǒng)從三維空間同時測量組織接觸時的受力情況。

硅微機械壓力傳感器可用于宮縮壓力傳感器，來測量分娩期內(nèi)的子宮收縮壓力和收縮頻率。這種方法要比常規(guī)的束腹帶方法要更加可靠，且可在危急情況下使用。硅微機械壓力傳感器的另外一個特性是可以嵌入羊膜液注入和提取傳感器中。這些傳感器通過子宮插入，然后置于羊膜袋中。 當小孩即將出生時再把傳感器取出來。這些傳感器都是一次性傳感器。

用于測量體溫的口腔/直腸探針被設計成體積、外表粗糙。這些傳感器的表層用松軟的涂料覆蓋，用來保護器官的內(nèi)層不受到意外傷害。

和體液相接觸的外用傳感器

有幾類一次性傳感器是附在體外使用的，但是它們卻是和體液相接觸的。比如一次性血壓傳感器（DSP），這類傳感器用于外科手術和重癥監(jiān)護，以便持續(xù)地監(jiān)控病人的血壓情況。這是在給病人進行靜脈輸液（IV）的同時測量其血壓的最理想方式。這類傳感器需要每24個小時更換一次，以保證傳感器的清潔衛(wèi)生。這類傳感器被連到一個監(jiān)控器上，以便記錄下所有的信息。

還有其它幾類與藥物或是體液相接觸的傳感器。其中一類用于氣囊膨脹壓力監(jiān)控。在這個應用中，壓力傳感器需要承受超過30bar的壓力，并監(jiān)控氣囊的充氣壓力。壓力過大的話會將氣囊充爆。由于傳感器與藥物和體液接觸，因此需要用一個硅凝膠屏障將傳感器的其余部分隔開。

設備和外用傳感器

在中藥和體液都不和傳感器相接觸的情況下，可將外用傳感器應用于醫(yī)療設備。在大多數(shù)情況下，這類傳感器都不是一次性的。醫(yī)院或是家庭護理均可使用這類傳感器。下面列舉幾個此類傳感器：

注射泵中用于檢測脈管梗塞（導管堵塞）的測壓元件。注射泵中用于檢測流速、注射器是否為空和注射器是否堵塞的電磁編碼器肺活量計中用于測量哮喘病人呼吸強度的微電子機械系統(tǒng)流速傳感器用于研究帕金森病人顫動情況的超小型微電子機械系統(tǒng)加速傳感器。用于研究睡眠窒息的壓電（或熱電）傳感器。用于監(jiān)控和測量手腕動脈脈壓的微電子機械系統(tǒng) 壓力傳感器。用于輸氧控制及監(jiān)控儲氧罐存量的微電子機械系統(tǒng)和測壓傳感器。用于測量體表/體內(nèi)溫度的NTC溫度傳感器。袖袋血壓傳感器工具箱中所使用的基于微電子機械系統(tǒng)的壓力傳感器。

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