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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-03-08 09:41
智能醫(yī)療器械既是技術(shù)的進(jìn)步也是患者的福音。醫(yī)療器械屬于醫(yī)療系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成部分，因此其對(duì)于全面的智能化醫(yī)療服務(wù)有著極其重要的意義。在如今技術(shù)變革醫(yī)療的大時(shí)代，能否把醫(yī)療器械徹底智能化起來，很大程度依賴其底層組件——新型醫(yī)用傳感器的技術(shù)發(fā)展情況。
一、醫(yī)用傳感器
（一）醫(yī)用傳感器
新韋氏大詞典中有關(guān)傳感器的定義是：從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件。傳感器通用術(shù)語(yǔ)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7665-2005）中傳感器的定義是：能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。
傳感器基本原理
醫(yī)用傳感器是把人體生理活動(dòng)的信息轉(zhuǎn)換成與之有確定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)的裝置，它作為醫(yī)學(xué)儀器與人體之間的重要環(huán)節(jié)，在醫(yī)療診斷、醫(yī)學(xué)儀器研制、醫(yī)學(xué)研究等諸多方面占有非常重要的地位。
（二）醫(yī)用傳感器分類
醫(yī)用傳感器主要以工作原理及應(yīng)用形式兩種方式進(jìn)行分類。按照工作原理，主要分為： 物理傳感器、 化學(xué)傳感器、生物傳感器、以及生物電極傳感器。
按工作原理分類
按照應(yīng)用形式，可主要分為： 植入式傳感器、暫時(shí)植入式傳感器、體外傳感器、用于外部設(shè)備傳感器、可食用傳感器。
按應(yīng)用形式分類
二、創(chuàng)新醫(yī)用傳感器
當(dāng)今隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展以及各領(lǐng)域的交叉融合，醫(yī)用傳感器的發(fā)展日新月異，尤其是電子技術(shù)、材料技術(shù)等突飛猛進(jìn)的發(fā)展，結(jié)合研究者們天馬行空的想象力，醫(yī)用傳感器朝著智能、微型化、多參數(shù)、無線化等等方面發(fā)展，種類愈加豐富、功能日益強(qiáng)大。筆者通過搜集查閱近幾年的資料，分以柔性傳感器、植入傳感器、可消化傳感器和新型傳感器技術(shù)四個(gè)大類進(jìn)行有關(guān)創(chuàng)新醫(yī)用傳感器的介紹。
（一）柔性傳感器技術(shù)
隨著材料技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，柔性基質(zhì)材料以其柔韌、可彎曲、延展、可穿戴等優(yōu)勢(shì)逐步走上歷史舞臺(tái)。柔性傳感器兼具柔性基質(zhì)材料的優(yōu)點(diǎn)與人體相適應(yīng)，不論是可穿戴設(shè)備還是植入設(shè)備都有著非常好的適應(yīng)性。
1. 智能創(chuàng)可貼
美國(guó)塔夫茨大學(xué)工程學(xué)院Sameer Sonkusale教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型智能創(chuàng)可貼，其厚度僅為3mm，由透明醫(yī)用膠帶、熱活化抗生素凝膠、以及柔性電子元件組成。上圖右側(cè)為帶有創(chuàng)面覆蓋組件的智能繃帶，左側(cè)則是微處理器和可以觸發(fā)藥物輸送的傳感器：其中一個(gè)組件，是可以測(cè)量傷口pH值的傳感器——如果數(shù)值明顯高于6.5，則表明傷口已被感染；另有一顆溫度傳感器，它可以檢測(cè)與炎癥相關(guān)的發(fā)熱量。
此外科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出了可用于測(cè)量氧合作用的傳感器，這是傷口愈合的標(biāo)志。集成的微處理器可以分析來自傳感器的讀數(shù)，以評(píng)估傷口的狀況。如果檢測(cè)到感染或炎癥，即可臨時(shí)激活內(nèi)置于繃帶中的加熱響應(yīng)元件。這可以提高凝膠的溫度，使其在創(chuàng)口釋放更多的抗生素。
2. 智能繃帶
瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試與開發(fā)研究所（Empa）與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、瑞士電子與微技術(shù)中心（CSEM）、瑞士蘇黎世大學(xué)醫(yī)院一起合作開發(fā)了一種智能繃帶，它能夠?yàn)樽o(hù)理人員提供傷口情況的相關(guān)數(shù)據(jù)。
3.柔性血氧計(jì)
加州大學(xué)伯克利分校Arias研究組（Arias Research Group）研制了一種交替印刷在柔性材料上的內(nèi)嵌紅光OLED和紅外OLED的柔性傳感器，這種傳感器能夠檢測(cè)大面積的皮膚、組織和器官的血氧水平。通過跟蹤血氧，OLED傳感器可以幫助監(jiān)測(cè)愈合傷口。
4. 柔性可穿戴離子型濕度傳感器
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽研究團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)了可用于皮膚水分檢測(cè)的柔性可穿戴離子型濕度傳感器。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合MEMS微納加工技術(shù)設(shè)計(jì)制備了具有微孔陣列為模板的電極芯片，采用一步電沉積法制備了大比表面積且可調(diào)控的三維金納米結(jié)構(gòu)離子／電子傳導(dǎo)陣列電極，具有制備簡(jiǎn)單，重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)。
5. 可穿戴汗液傳感器
加州大學(xué)伯克利分校的高偉博士團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了全集成的可穿戴汗液檢測(cè)設(shè)備。這項(xiàng)設(shè)備可以同時(shí)檢測(cè)表皮溫度和汗液里的汗液代謝物和電解質(zhì)信息，并且用檢測(cè)到的溫度信息來校準(zhǔn)其他傳感器的讀數(shù)。此外，高偉的可穿戴汗液傳感器中柔性電路部分和傳感器部分是可分離的，工作時(shí)可以非常方便的通過柔性印刷電路連接器連接，柔性塑料上制造的傳感器電極部分的成本極低，因此可以在每一次運(yùn)動(dòng)之前安裝新的傳感器電極。
（二） 可植入傳感器
可植入傳感器是近年來出現(xiàn)的新型傳感器，具有體積小、重量輕、生物相容性強(qiáng)等特征?？芍踩雮鞲衅饕话阕约汗╇姴⒗脽o線技術(shù)傳輸。與可消化傳感器不同的是，可植入傳感器通常植入皮下或器官中，獲取用戶的電生理或化學(xué)信號(hào)進(jìn)行傳輸，重要用途在于精準(zhǔn)監(jiān)控生理信號(hào)有助于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療。傳統(tǒng)的可植入傳感器的難點(diǎn)是傳感器本身不可降解長(zhǎng)期存在體內(nèi)損害體內(nèi)周圍組織或細(xì)胞造成二次感染，手術(shù)取出也會(huì)造成二次傷害，近年來生物降解的可植入傳感器也在逐步走上舞臺(tái)。
1. “體內(nèi)GPS”——ReMix系統(tǒng)
麻省理工學(xué)院（MIT）的計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）研發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，通過這項(xiàng)技術(shù)可以不依賴于內(nèi)窺鏡檢查和外科手術(shù)，而是依靠傳感器來幫助病情診斷以及指導(dǎo)藥物管理，可以通過低功耗無線信號(hào)準(zhǔn)確定位體內(nèi)的可吸收植入物。今后，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)后能夠?qū)崿F(xiàn)將藥物輸送到指定位置。
該項(xiàng)目由Dina Katabi教授領(lǐng)導(dǎo)，Remix系統(tǒng)又被描述為人體GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在允許攝取標(biāo)記物在體內(nèi)的精確定位。這些傳感器可能非常小，因?yàn)樗鼈儾恍枰獌?nèi)部電源，也不必自己制作無線信號(hào)。ReMix系統(tǒng)使用外部信號(hào)源制作無線電波，并結(jié)合可攝取的傳感器標(biāo)記，系統(tǒng)可以以厘米級(jí)精度跟蹤標(biāo)記。另外，ReMix系統(tǒng)的一個(gè)主要潛在用途是質(zhì)子治療，其允許磁控制的質(zhì)子束精確地靶向腫瘤。問題是質(zhì)子治療現(xiàn)在只適用于某些不能移動(dòng)的癌癥。使用ReMix系統(tǒng)，質(zhì)子束可以實(shí)時(shí)精確地轉(zhuǎn)向，保護(hù)健康組織，并使質(zhì)子治療更廣泛地用于對(duì)抗癌癥。
2. 神經(jīng)塵埃
加州大學(xué)伯克利分校的Dongjin Seo團(tuán)隊(duì)制造出長(zhǎng)寬高3mm×0.8mm×1mm的神經(jīng)塵埃傳感器，它能夠把身體之外廣播的超聲波脈沖機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電力。神經(jīng)塵埃的技術(shù)是從無線供能的角度出發(fā)研發(fā)的一種神經(jīng)遙感技術(shù)。神經(jīng)塵埃傳感器相關(guān)的研究可能有一天用于下一代的控制假肢、外骨骼和機(jī)器人以及大腦-機(jī)器接口來治療大腦和身體的疾病。
3. 腫瘤納米熒光傳感器
德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的Baran Sumer等人發(fā)明了一種類晶體管的閾值傳感器，它能夠在正常組織中保持沉寂，但當(dāng)它遇到實(shí)體腫瘤時(shí)，就會(huì)像燈泡被打開一樣，發(fā)出光亮，使得外科醫(yī)生在手術(shù)時(shí)能夠更好地看清腫瘤。這項(xiàng)研究的原理是放大腫瘤細(xì)胞內(nèi)的pH信號(hào)，使得腫瘤組織和正常組織之間的區(qū)分更加準(zhǔn)確。這項(xiàng)新型數(shù)字納米傳感器引導(dǎo)的手術(shù)技術(shù)對(duì)病人來說有多方面的益處，包括能夠更準(zhǔn)確地移除腫瘤，能夠更大程度上保留功能性正常組織等，這些益處既能提高生存率也能提高生活質(zhì)量。
4. 可拉伸植入式應(yīng)力應(yīng)變傳感器
斯坦福大學(xué)鮑哲楠團(tuán)隊(duì)一直致力于人工皮膚、可拉伸晶體管等相關(guān)方向的研究。最近，鮑哲楠和Paige Fox團(tuán)隊(duì)合作，研發(fā)了一種基于純聚合物制造的高度可拉伸、全部可降解的植入式應(yīng)變和壓力傳感器，專門用于肌腱損傷修復(fù)期的力學(xué)行為監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)研究為植入式電子器件在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肌腱修復(fù)等醫(yī)療領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供了全新的思路。
（三）可消化傳感器
可消化傳感器是近年來流行的新型傳感器，通常利用可降解電子器件制成。一般的可消化傳感器附著在只能藥丸內(nèi)部，由藥丸本身或消化道液體相互作用供電，傳感器工作時(shí)將檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)通過通信模塊傳輸給智能手機(jī)或其他終端。相比傳統(tǒng)胃鏡、腸鏡檢查，可消化傳感器成本低、使用方便，也可以減輕病人的痛苦。
1. 氣敏傳感器膠囊
澳大利墨爾本皇家理工大學(xué)的Kyle Berean團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款氣敏傳感器膠囊，吞咽后可以實(shí)時(shí)檢測(cè)腸道內(nèi)氫氣、二氧化碳和氧氣的水平，并將信息發(fā)送到智能設(shè)備中。研究結(jié)果顯示，傳感器膠囊在測(cè)量腸道內(nèi)的氫氣濃度時(shí)具有高靈敏度和信噪比，為腸道氣體的產(chǎn)生提供了有價(jià)值的信息，這也有助于監(jiān)測(cè)消化道中微生物的活動(dòng)，實(shí)時(shí)判斷消化道的健康。同時(shí)，也將減少例如腸鏡檢查之類的侵入性操作的使用，減輕病人的痛苦。
2. 可消化微型麥克風(fēng)
麻省理工學(xué)院Giovanni Traverso團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一項(xiàng)通過在胃腸道放置一個(gè)微型的傳感器來檢測(cè)心率和呼吸頻率的新技術(shù)。這個(gè)微型傳感器本質(zhì)上是一個(gè)被放置在病人服用的硅酮膠囊里的微型麥克風(fēng)，可以通過監(jiān)聽心和肺部來進(jìn)行心率和呼吸頻率的計(jì)算。通過這個(gè)傳感器可以提高治療創(chuàng)傷和慢性病患者的評(píng)估，以及應(yīng)用于監(jiān)測(cè)特定領(lǐng)域的士兵，或者提高運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。
3. 可卷曲消化傳感器
麻省理工學(xué)院的Giovanni Traverso與哈佛大學(xué)布萊根婦女醫(yī)院的Canan Dagdeviren共同研發(fā)了一種靈活的可消化傳感器。該傳感器可以卷曲成藥丸形狀在服用后附著在腸壁或胃壁上來檢測(cè)消化道節(jié)律性收縮，以幫助醫(yī)生診斷胃腸疾病。同時(shí)也可以檢測(cè)胃里的食物，幫助醫(yī)生監(jiān)測(cè)肥胖癥患者的食物攝入量。該柔性裝置基于壓電材料，當(dāng)其發(fā)生物理變形時(shí)，產(chǎn)生電流和電壓供其運(yùn)作，而不需要板載電池，降低了該系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。該傳感器還使用與人類皮膚彈性相似的聚合物，因此能與皮膚相適應(yīng)，并隨著腸道進(jìn)行伸展和移動(dòng)。
（四）新型生物傳感器
1. DermalAbyss紋身墨水
由MIT與哈佛醫(yī)學(xué)院合作完成的項(xiàng)目“DermalAbyss”，旨在使用生物傳感器替代傳統(tǒng)紋身墨水。這些傳感器能通過改變顏色來反映出體內(nèi)pH、鈉和血糖水平的變化，以此讓使用者了解到身體可能存在的問題。在DermalAbyss的幫助下，只需肉眼觀察一下紋身的變化即可發(fā)現(xiàn)這三項(xiàng)生理指標(biāo)的變化：當(dāng)血糖升高時(shí)，紋身會(huì)從藍(lán)色變成棕色；當(dāng)鈉含量增加時(shí)，紋身會(huì)變得更綠（在紫外線照射下）；從紫色變成粉色來顯示堿性水平的變化。
2. 血糖監(jiān)測(cè)隱形眼鏡
名古屋大學(xué)新津葵一（Kiichi Niitsu）團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了全球最小的發(fā)電檢測(cè)一體型血糖傳感器，可以實(shí)現(xiàn)無需外部無線供電的隱形眼鏡式持續(xù)型血糖監(jiān)測(cè)。葡萄糖發(fā)電元件的輸出電壓會(huì)隨著與血糖濃度相關(guān)的淚糖濃度變化，通過半導(dǎo)體電路將輸出電壓轉(zhuǎn)換成無線傳輸頻率，就實(shí)現(xiàn)了同時(shí)發(fā)電和傳感。能利用淚液中所含的糖（葡萄糖）生成1nW以上的電力。另外，發(fā)送數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體無線發(fā)送器也成功實(shí)現(xiàn)了0.27nW（電源電壓為0.165V）的驅(qū)動(dòng)電力，約為以往的1萬分之1。通過融合這2項(xiàng)技術(shù)，在監(jiān)測(cè)淚液中所含的糖的同時(shí)，還能生成所需的電力。由此無需再使用供電用眼鏡型終端，只需佩戴隱形眼鏡就能持續(xù)監(jiān)測(cè)血糖值。
3. 納米呼吸傳感器
麥考瑞大學(xué)的Noushin Nasiri研發(fā)出一種利用納米材料制造的呼吸傳感器，通過分析呼出氣體中的標(biāo)志物，可以檢測(cè)多種疾病的病患。
4. 使用石墨烯檢測(cè)癌細(xì)胞
伊利諾大學(xué)芝加哥分?；瘜W(xué)工程系Vikas Berry與芝加哥大學(xué)醫(yī)學(xué)院的臨床外科助理教授Ankit Mehta開展合作對(duì)石墨烯進(jìn)行研究，通過腦細(xì)胞與石墨烯的相互作用，可以辨別出高度活躍的癌癥細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)癌癥細(xì)胞與正常細(xì)胞的區(qū)分。研究發(fā)現(xiàn)，正常細(xì)胞和癌癥細(xì)胞分別與石墨烯發(fā)生相互作用，通過拉曼成像技術(shù)，可以分辨兩種細(xì)胞的不同活性。高度活躍的癌癥細(xì)胞能夠讓石墨烯表面的負(fù)電荷增大更多，釋放出更多的質(zhì)子。因此，癌癥細(xì)胞對(duì)石墨烯晶格原子振動(dòng)能量的影響程度不同于正常細(xì)胞。
研究發(fā)現(xiàn)石墨烯不僅可以用于區(qū)分正常星形膠質(zhì)細(xì)胞與多形性成膠質(zhì)細(xì)胞瘤，還可以區(qū)分革蘭氏陽(yáng)性菌與革蘭氏陰性菌，或者用于檢測(cè)鐮狀細(xì)胞。
三、未來及展望
根據(jù)市場(chǎng)研究公司 Grand View Research研究顯示，2015 年全球醫(yī)用傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了 98 億美元，預(yù)計(jì)到 2024 年市場(chǎng)規(guī)模可增至 185 億美元。
醫(yī)療傳感器經(jīng)常被用于造價(jià)高昂的醫(yī)療器械，因此醫(yī)療電子傳感器是具有高價(jià)值的一類傳感器。智能醫(yī)療器械行業(yè)已被公認(rèn)為是最有前景的醫(yī)療發(fā)展領(lǐng)域，整體行業(yè)屬于快速發(fā)展的階段。在智能醫(yī)療器械行業(yè)帶動(dòng)下，智能傳感器的底層需求將會(huì)不斷擴(kuò)大。現(xiàn)在，我國(guó)在此領(lǐng)域還處于起步階段，大部分依賴進(jìn)口，但是未來隨著技術(shù)不斷成熟，醫(yī)療傳感器市場(chǎng)將迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。
在醫(yī)療市場(chǎng)增長(zhǎng)推動(dòng)、政策驅(qū)動(dòng)、技術(shù)拉動(dòng)的作用下，醫(yī)用傳感器的將越來越多地走進(jìn)我們的生活。未來，在納米技術(shù)的加成下，醫(yī)用傳感器將繼續(xù)向著小型化，微型化，低功耗，低成本，高靈敏度，多功能，安全無毒，可降解的方向不斷發(fā)展。
來源：思宇智庫(kù)
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