生物医学传感器的临床应用

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《中国医疗器械信息》2008年第14卷第7期 Vol.14 No.7

文章编号：1006-6586(2008)07-0031-02 中图分类号：TP212.3 文献标识码：A

收稿日期：2008-06-23

随着科学的发展和其他学科的渗透以及生物医学

学科的进步，使医学学科进入一个新阶段——定量医

学。从定性医学到定量医学的发展过程中，传感器起了

重要作用。传感器延伸了医生的感觉器官，扩大了医生的观测范围，并把定性的感觉扩展为定量的测量。目前，传感器已成为生物医学测量、数据处理中不可缺少的关

键部分。可以说传感器的作用和地位就相当于医生的五

官，要提取和捕捉生物体内各种生物信息，需要依靠各

种各样的传感器。由图1可知，传感器是医学测量系统

的第一个环节，医学仪器通过其与人体直接耦合。肠内压、胃内压、膀胱压及肺泡压等。所采用的传感器大体上属于同一类型，只是量程不同。基本结构中都包括一个弹性膜片，它将压力信号转化为膜片的变形，然后根据膜片的应变和位移，将其转换成相应的电信号输出。(2) 心音传感器：在心脏的收缩和舒张过程中，血管的振动传到胸腔表面就是心音。另外，人体内部还有一些器官也会造成音响，例如呼吸时支气管与肺膜产生的声音、肠蠕动的杂音、孕妇的子宫杂音、胎儿的心音等。所有这些声音，对疾病的诊断都是非常有价值的。医用心音传感器总的来说分为空气传导式和直接传导式。由

于空气传导式心音传感器需由气室和一般传感器组合而

成，虽然简单易行，但其灵敏度低，且易受周围噪声的

干扰，所以临床上使用的大多是直接传导式心音传感器。

(3) 血流传感器：与压力检测一样，流量的检测也是生

理研究和临床诊断上最常应用的工程手段之一。其中

最常用的是血流的测量，另外还有一些流量也是临床上需要测量的重要参数，如与呼吸功能密切相关的气流量、与肾功能密切相关的尿流量等。临床中通常采用阻抗法来获得心血流图、脑血流图、肺血流图、肾

血流图以及肢体血流图等。(4) 温度传感器：体温是机体不断进行新陈代谢和自动

调节的结果，许多生理过程的进行又都受到体温变化的影响，所以测量人体各部分的温度，是临床诊断各种疾

1 物理传感器的临床应用 物理传感器是检测物理量的传感器，利用某种物理效应，把被测物理量信号转换成为便于处理的能力

形式的信号(通常是电信号) ，用于测量血压、体温、血流量、血粘度、生物组织对辐射的吸收、反射或散

射以及生物磁场等。(1) 压力传感器：在临床诊断、外科手术和病人监护中，人体内各种压力参数的准确测量往往是至关重要的，同时它也是控制和解释某些生理研究实验不可缺少的信息来

源。医学上通常测量的压力参数有血压、颅内压、眼内压、

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32《中国医疗器械信息》2008年第14卷第7期 Vol.14 No.7综述Review

原理和测量方法的温度传感器。目前可供选择的温度传感器非常多，其中最常见的温度传感器按测量原理来分类，有热电偶式、热电式、PN 结型、液晶式、热辐射式等。2 化学传感器的临床应用 化学传感器通常指基于化学原理、以化学物质成分为检测对象，用于测量人体体液中离子的成分或浓度、pH 值、氧分压、及葡萄糖浓度等。目前这类传感器主要是利用敏感材料与被测物质中的离子、分子或生物物质相互接触而产生的电极电位变化、表面化学反应或引起的材料表面电势变化，并将这些反应和变化直接或间接转换为电信号。化学传感器在临床医学中的应用主要有两个方面：一是非连续性的样品检验；二是对人体一些生化指标进行连续测量。(1) 样品检验：化学传感器中的离子传感器已用于对人的唾液、脑髓液、脊髓液、血液、汗液、尿液等的日常化验中，检测这些体液中的氢离子、钾离子、钠离子、氯离子等的浓度(活度) 。化学传感器是临床上对人体血气酸碱平衡状态进行监测、评价的主要工具，特别在抢救危重病人、重大手术、体外循环、人工肾、心导管和器官移植等方面具有重要意义。(2) 连续测量：化学传感器在医学中的一个重要应用方面是连续性监测，这对于各种临床检验，特别是负荷试验这一类的动态测量以及麻醉、手术及各种治疗中的监护(尤其是伴随物质交换的人工脏器治疗及ICU 、急救等场合) ，还有术后患者和慢性患者的无拘束检测以及植入式人工脏器的控制等均具有重要价值。化学传感器的应用方式灵活多样，可安放在体表，可穿刺人体内，可插入血管，植入体内组织，也可安置在体外循环回路及治疗设备和人工脏器内。3 生物传感器的临床应用 生物传感器是指由生物活性材料与相应转换器构成，并能测定特定的化学物质(主要是生物物质) 的传感器。生物传感器可以测定医学诊断中重要的体内代谢物、蛋白质、抗原；使用DNA 为分子识别元件，用于胎前期诊断，高灵敏度测定微生物污染程度，并可分析动植物染色体中是否存在异常基因物质。(1) 葡萄糖含量测定：血中葡萄糖的量是准确诊断和治疗糖尿病及其他代谢失调疾病的重要检测指标。常规方法如邻甲苯胺法、葡萄糖氧化酶法均属于比色测定

法，操作麻烦，干扰严重。而生物传感器方法则简便

快捷，检测结果准确可靠。目前，葡萄糖传感器所用

的酶都是GOD ，传感器输出信号主要是电流信号。在测定方法上，除用氧电极测定氧气在反应中的消耗量外，还可根据H 2O 2在阳极上的氧化，测定反应中H 2O 2的生成量，进而测得葡萄糖含量。

(2) 乳酸含量测定：快速、准确测定体液中乳酸的含量是临床诊断的必需项目。有4种不同酶可用作测定乳酸的电流型生物传感器的敏感材料，它们是乳酸脱氢酶(LDH) 、

细胞色素b2、乳酸氧化酶(LOD) 和乳酸单加氧酶(LMO) 。采用LDH 酶促反应测乳酸的乳酸传感器，使用中易被NADH 或电子传递体所玷污。基于LMO(一种脱

羧酶) 的生物传感器容易因为缓冲液中和样品中氧含量不同引起问题，而基于细胞色素b2的传感器研究尚处于实验室阶段。用固定化的LOD 和H2O2电极相结合则是测定乳酸的较适合的传感器，此类已达实用化的传感器可测定全血、血浆和脑脊液中的乳酸，和传统比色法相比较的相关系数可达0.99。

(3) 药物传感器：药物传感器是指以生物材料样品(血、

尿等) 中的药物为测量对象的生物传感器。近年来，了解药物在血中的浓度，在投药量最适合化方面颇具意义，因此，测定治疗过程中药物的浓度，越来越受到重视。根据生物传感器的原理，可用酶传感器检测青霉素，用微生物传感器检测头孢菌素，用酶免疫传感器检测胰岛素、碱基等。目前，药物传感器的应用还只限于离体生物材料中药物浓度的测量，相信在不久的将来，药物传感器的开发和实用化，会向在体连续测定的方向发展。参考文献

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