传感器在医疗领域的应用

酶FET 酶光二极管
传感器如何应用于医疗领域
? 一、传感器在生物医学科学中的作用
? 关于传感器在生物医学科学中的作用，可以这 样认为：生物医学传感器是生物医学科学和技 术的尖兵，生物医学研究的正确结论有赖于生 物医学传感器的正确测量。
? 传感器是一门十分综合的科学和技术。随着科 学技术的发展，传感器的概念也应随着换能器 的发展而发展。现代传感器的物理模型如图 12所示。
X射线、各种核射线、 RF电磁波等
光学传感器
各种生物发光、吸光、散射光
新型医疗电子血压计设计
? 日本大学的一个研究小组日前宣布，他们开发出了一种只需向 皮肤照射近红外线，分析其波形就能计算出血压的新型医疗电 子血压计。
新型医疗电子血压计无需使用一般血压计的袖带，也能用于测 量运动时的血压。这种血压计还能测定血糖，并且不需要采血。
?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
医学中需要测量的量
位移 结石的位置、皮肤厚度、皮下脂肪厚度、心脏位移等
振动 心音、声音、呼吸音、血管音等
力
血压、心肌力、眼球内压、胃内压等
流量 血流量、呼吸气体流量、出血量、尿流量等
2. 化学传感器
? 化学传感器是把化学成分、浓度等转换成与之有确切关系 的电学量的器件。它多是利用某些功能性膜对特定化学成 分的选择作用把被测成分筛选出来，进而用电化学装置把 它变为电学量。
温度 皮肤温度、直肠温度、呼吸温度、血液温度等
化学成分 02、CO2、CO、H2O、NH3、Na＋、K＋……
生物成分 蛋白质、细菌、病毒等 放射线 X射线、同位素剂量等 生物电 心电、脑电、肌电、眼电、胃电等
传感器的分类
1. 按应用形式分类
植入式传感器
传
暂时植入体腔(或切口)式传感器
感
器 体外传感器
识别与离子识别技术。 保证灵敏度高的措施是：物理、化学和生物放大技术。
定量医学的需求 : 为基础医学研究和临床诊断的研究与分析提供
所需要的数据和图像。定量地诊断临床上的疑难 病症。
生理信息 传感器 电信号 信号处理 电信号 输出显示
典型医学传感测量系统框图
在医学中的主要用途
?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。
物理传感器
位移 力
…… 速度 温度
化学传感器 各种化学物质
传
感
酶ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
器 生物传感器 免疫 …… 微生物
DNA
生物电电极传感器
心电
脑电 肌电
……
神经元放电
1. 物理传感器
? 利用物理性质或物理效应制成的传感器叫物理传感器，或把物理量转 变为能为计算机识别的电学量的器件叫传感器。如果被测物理量本身 就是电学量，则传感器退化为传感器。物理传感器的框图如图 1-3。
? 进入本世纪 80年代之后，随着离子 敏场效应晶体管的不断完善，于 1980年Caras和Janafa率先研制成功 可测定青霉素的酶FET。
年代
特点
研究内容
60 生物传 感器初期
酶电极
微生物传感器，
70
发展时 免疫传感器，
期
细胞类脂质传
感器，组织传
感器，生物亲
和传感器
进入生物 80 电子学传
感器时期
二、传感器的主要性能指标
? 医学中对传感器的要求： 安全性高(特别是用于人体的传感器和换能器 )，灵敏度高，信噪比高
（选择性高）。 保证物理安全性的措施是电的隔离、浮置技术， 保证化学安全性高的要求是无毒性，无近期和远期的致癌效应； 保证生物安全性高的要求是无 DNA和RNA突变。 保证选择性高的措施是利用共振效应、滤波技术、自适应技术、分子
? 一般按工作原理或被测量将物理传感器分类。 （1）按工作原理的分类如：应变式传感器、电容式传感器、电感式传 感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电式传感器 等。 （2）按被测量分类如：位移传感器、压力传感器、振动传感器、流量 传感器、温度传感器等。 （3）由于一种被测量往往可用几种不同的工作原理来制成传感器来检 测，所以物理传感器的名称常常在被测量前面加上不同的工作原理做 定语来命名，如应变片式压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压 力传感器等等。
? 生物医学领域应用的物理传感器的分类和用途的例子如表 1-2。
表1-2 生物医学用物理传感器的分类和用途
名称
用途
位移传感器
血管内外径，心房、心室尺寸，骨骼肌、平滑肌的收缩等
速度传感器
血流速度、排尿速度、分泌速度、呼吸气流速度等
振动（加速度）传感器 各种生理病理声音，如心音、呼吸音、血管音，搏动，震颤等
? 对于传统被测量而言，敏感膜就相当于传感器 与被测对象的界面。在传统的传感器前面附加 一层根据不同需要而特制的敏感膜，即可表示 化学传感器和生物传感器。二者的区别就看是 否具有生物活性。具有生物活性的膜材料就是 生物传感器。传感器中可存在两个界面，一是 被测介质和敏感膜间的界面，二是敏感膜和传 感器间的界面。界面上发生着复杂的物理、化 学或生物过程。
力传感器 流量传感器
肌收缩力、咬合力、骨骼负荷力、粘滞力等 血流量、尿流量、心输出量、呼吸流量等
压强传感器
血压、眼压、心内压、颅内压、胃内压、膀胱内压、子宫内压等
温度传感器
口腔、直肠、皮肤、体（核）、心内、肿物、血液、中耳膜内温度
电学传感器
肌电、心电、各种平滑肌电、眼电、神经电、离子通道电等
辐射传感器
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帮助盲人重见光明
纲要
? 医疗传感器的发展历程 ? 传感器如何应用于医疗领域 ? 医疗传感器的发展现状与展望
生物传感器的发展历程
? 最先问世的生物传感器是酶电极， Clark 和Lyons 最先提出组成酶电极 的设想。
? 70年代中期，人们注意到酶电极的 寿命一般都比较短，提纯的酶价格 也较贵，而各种酶多数都来自微生 物或动植物组织，因此自然地就启 发人们研究酶电极的衍生型：微生 物电极、细胞器电极、动植物组织 电极以及免疫电极等新型生物传感 器，使生物传感器的类别大大增多；
用于外部设备的传感器
植入式传感器
体外传感器
多种传感器应用于患者的病床
力传感器用来测量重量； 压电薄膜传感器用于测量 心率和呼吸模式；热电堆 传感器用于测量体温；血 氧传感器用于测量血氧含 量；CO2，传感器用于测 量新陈代谢；流量传感器 用于辅助呼吸；力传感器 用于测量氧气瓶中剩余的
氧气含量。
2.按工作原理分类