什么是醫(yī)用傳感器？醫(yī)用傳感器的用途有哪些

1、什么是醫(yī)用傳感器？醫(yī)用傳感器的用途有哪些？傳感器原理是什么？什么是醫(yī)用傳感器？醫(yī)用傳感器的用途有哪些？接下來，就帶你了解一下吧！醫(yī)學(xué)的產(chǎn)生是伴隨著傳感器的產(chǎn)生而來的。華佗、扁鵲所代表的中醫(yī)理論中的望、聞、問、切，就是運用了人類天生的傳感器：觸覺、聽覺、視覺、自身的感覺；追求精確的西方醫(yī)學(xué)更是為此研發(fā)了一套又一套的科學(xué)儀器，從傳統(tǒng)的聽筒、鉗子、小錘到如今的內(nèi)窺鏡、CT、B超，再到如今已經(jīng)應(yīng)用臨床的各種手術(shù)機器人，可以說醫(yī)用傳感器延伸了醫(yī)生的感覺器官，把定性的感覺擴展為定量的檢測，是醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵器件。隨著信息技術(shù)時代的到來，醫(yī)用傳感器作為臨床醫(yī)學(xué)診斷的”口舌”，在臨床醫(yī)學(xué)中診斷、治療、監(jiān)護和康復(fù)

2、等各個階段都必不可少且意義重大，成為制約高水平先進醫(yī)療設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，也是每個國家都優(yōu)先發(fā)展的先鋒技術(shù)，可以說，醫(yī)用傳感器技術(shù)的每一次進步都將帶來臨床醫(yī)學(xué)的突破性進展。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，可謂是包羅萬象，應(yīng)有盡有。如今年四月迅速在網(wǎng)絡(luò)走紅的電子膠囊內(nèi)鏡。又如挪威一家初創(chuàng)公司于2017年7月推出的心臟病患者可穿戴設(shè)備，就內(nèi)置了一個能實時收集患者生理數(shù)據(jù)并上傳至云端，在發(fā)生異常情況時迅速報警的傳感器。而美國加州大學(xué)伯克利分校也于2017年7月研制出耳戴式3D打印傳感器，用于測量人體核心溫度。智能手表和健康及健身手環(huán)，醫(yī)療終端，云端等。近年來，針對不同疾病和創(chuàng)傷患者開

3、發(fā)的傳感器可謂不勝枚舉，而現(xiàn)代的創(chuàng)新醫(yī)療器械產(chǎn)品背后，大都離不開現(xiàn)代的傳感器功勞。一、什么是醫(yī)用傳感器?醫(yī)用傳感器是應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一部分傳感器，是把人體的生理信息轉(zhuǎn)換成為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電信息的變換裝置。它所拾取的信息是人體的生理信息，而它的輸出常以電信號來表現(xiàn)。人體生理信息有電信息和非電信息兩大類，從分布來說有體內(nèi)的（如血壓等各類壓力），也有體表的（如心電等各類生物電)和體外的(如紅外、生物磁等）。二、傳感器原理傳感器是將物理量（機械量，力學(xué)量等)的變化轉(zhuǎn)化成電學(xué)量變化的一種裝置。傳感器一般由彈性元件，傳感元件和測量電路組成。彈性元件是連接被測物體與傳感元件的橋梁，是傳感器的關(guān)鍵部

4、件，它的結(jié)構(gòu)形狀，材料，加工精度，熱處理工藝等都將影響傳感器性能。彈性元件的加工工藝對傳感器性能影響很大，一般應(yīng)在粗加工之后經(jīng)過熱處理再進行精加工，然后進行專門的時效處理，以及為了提高彈性，減小機械滯后而進行靜、動加載處理。在結(jié)構(gòu)方面，要求彈性元件只受到被測物理量的作用而盡量減小其它物理量的影響。彈性元件的材料應(yīng)有較高的強度和韌性，且彈性好，滯后小，疲勞極限高，有較好的淬透性。常用的材料有40CrNi、35CrMnSiA、50CrMn-SiA、和60Si2MnA等合金及彈性滯后小的鈹青銅等。彈性元件的形狀按受力和變形分為懸臂梁、簡支梁、純彎曲型、拉壓桿、空心圓軸、圓環(huán)、園薄片和薄壁管等形狀，根

5、據(jù)不同的用途可以選用不同的形式。醫(yī)用傳感器是醫(yī)用生物醫(yī)學(xué)技術(shù)與工程技術(shù)的不斷發(fā)展與結(jié)合的產(chǎn)物。三、醫(yī)用傳感器的發(fā)展從圖1可見，醫(yī)用傳感器技術(shù)有兩個發(fā)展方向，一個是傳感器本身的研究開發(fā)，另一個是傳感器與計算機，信息技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)研究開發(fā)。其中傳感器本身的研究開發(fā)又有兩個分支，一個是有關(guān)傳感器基礎(chǔ)研究，即研究傳感器所需要的新技術(shù)和新原理。據(jù)筆者多方數(shù)據(jù)庫文獻檢索，最近十年來關(guān)于這方面的公開文獻鳳毛麟角，少之又少。據(jù)行內(nèi)專業(yè)人士告知，十年前醫(yī)用傳感器新技術(shù)及新原理研究大潮已過了。而近幾年更多的產(chǎn)業(yè)化，將研究成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。醫(yī)用傳感器產(chǎn)品開發(fā)則越來越熱，將傳感器技術(shù)產(chǎn)品化在醫(yī)療器械產(chǎn)品領(lǐng)域更是日益火

6、爆，一時間，可穿戴，人工智能AI，手術(shù)機器人等創(chuàng)新型醫(yī)療產(chǎn)品猶如雨后春筍一般層出不窮?，F(xiàn)代醫(yī)用傳感器技術(shù)已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)醫(yī)用傳感器體積大，性能差等技術(shù)缺點，形成了智能化、微型化、多參數(shù)、可遙控和無創(chuàng)檢測等新的發(fā)展方向。四、醫(yī)用傳感器的分類在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，傳感器種類繁多，目的用途各異，基于不同的分類基準，有不同的分類。一般醫(yī)用傳感器的分類如下：1.按應(yīng)用形式分類植入式傳感器、暫時植入體腔(或切口)式傳感器、體外傳感器、用于外部設(shè)備的傳感器。2.按檢測種類分類位移傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、圖像傳感器、流量傳感器等。對于壓力傳感器，包括有金屬應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體壓力傳感器

7、、電容壓力傳感器等等所有能夠檢測壓力的傳感器。對于溫度傳感器，包括熱敏電阻、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器等所有能夠檢測溫度的傳感器。3.按工作原理分類（1）化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器是利用化學(xué)性質(zhì)與化學(xué)效應(yīng)制成的傳感器。這種傳感器一般是通過離子選擇性敏感膜將某些化學(xué)成分、含量、濃度等非電量轉(zhuǎn)換成與之有對應(yīng)關(guān)系的電學(xué)量。比如說：不同種類的離子敏感電極、離子敏感場效應(yīng)管、濕度傳感器等。生物醫(yī)學(xué)常用的各種化學(xué)傳感器測量的化學(xué)物質(zhì)有：K+、Na+、Ca2+、Cl-、O?、CO?、NH3、H+、Li+ 等。（2）物理傳感器物理傳感器是利用物理性質(zhì)和物理效應(yīng)制成的傳感器。屬于這種類型的傳感器最多，比如說金屬電阻應(yīng)變

8、式傳感器、半導(dǎo)體壓阻式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器等。（3）生物傳感器生物傳感器是采用包含有生物活性物質(zhì)作為分子識別系統(tǒng)的傳感器。這個傳感器一般是利用酶催化某種生化反應(yīng)或者通過某種特異性的結(jié)合，檢測大分子有機物質(zhì)的種類及含量，就是最近半個世紀發(fā)展起來的新型傳感器。比如：酶傳感器，新型微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、DNA傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、納米傳感器、可消化傳感器、柔性傳感器、可植入傳感器等。生物傳感器都能保持優(yōu)勢，并有望占據(jù)傳感器最大的市場份額。生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，如中醫(yī)針灸傳感針、生物芯片、醫(yī)用生物傳感器、葡萄糖監(jiān)測、檢測DNA突變、疾病

9、診斷、病毒檢測、藥物劑量、腦損傷檢測、監(jiān)測康復(fù)患者等方面。五、醫(yī)用傳感器的用途有哪些？1.在醫(yī)用產(chǎn)品化方面的用途醫(yī)用超聲波檢測中應(yīng)用，最常見的超聲傳感器；在X射線裝置中的應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于CT，CR，DR等醫(yī)療設(shè)備中；其他的從醫(yī)用設(shè)備呼吸機、血液分析儀、多參數(shù)監(jiān)護儀、核磁共振儀、心腦電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)裝置，到目前熱門的移動互聯(lián)醫(yī)療、遠程醫(yī)療、人工智能AI醫(yī)療、手術(shù)機器人等，無不顯示醫(yī)用傳感器的身影，可以預(yù)測的是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，傳感器的應(yīng)用會越來越廣泛和深入。2.在臨床實踐方面的用途傳感器核心的價值在于數(shù)據(jù)采集，其次就是精確度高。醫(yī)用傳感器是各種醫(yī)療設(shè)備的核心部分，醫(yī)用傳感器的應(yīng)用大大降低了人

10、工成本，并且有效降低了錯誤產(chǎn)生率，提高了疾病診斷的可靠性和精確性。醫(yī)用傳感器的發(fā)展已經(jīng)是制約高端、先進醫(yī)療設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時也是促進醫(yī)學(xué)發(fā)展的主要動力之一。在臨床醫(yī)學(xué)方面的主要應(yīng)用有以下幾個方面：（1）提供診斷用生物體信息：如心音、血壓、脈搏、血流、呼吸、體溫等信息，供臨床診斷和醫(yī)學(xué)研究用。如心臟手術(shù)前檢測心內(nèi)壓力；心血管疾病的基礎(chǔ)研究中檢測血液的粘度以及血脂含量。（2）臨床監(jiān)護：長時間連續(xù)測定某些參量，監(jiān)視這些參數(shù)是否處于規(guī)定的范圍內(nèi)，以便了解病人的恢復(fù)過程，出現(xiàn)異常時及時報警。如病人在進行手術(shù)前后需要連續(xù)監(jiān)測體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等生理參數(shù)。（3）人體控制：利用監(jiān)測到的生理

11、參數(shù)控制人體的生理過程。例如自動呼吸器就是用傳感器檢測病人的呼吸信號來控制呼吸器的動作，使人與正常狀態(tài)呼吸同步；又如電子假肢就是用測得的肌電信號控制人體假肢體的運動；再如體外循環(huán)的血流血壓控制等。該特點在康復(fù)機器人領(lǐng)域應(yīng)用甚廣。（4）臨床檢驗：除直接從人體收集信息外，臨床上常從各種體液（血、尿、唾液等）樣品獲得診斷信息。這類信息叫做生化檢驗信息。它是利用化學(xué)傳感器和生物傳感器來獲取，是診斷各種疾病必不可少的依據(jù)。六、醫(yī)療器械行業(yè)中傳感器的解決方案由于精確的監(jiān)控、診斷和治療的重要性，現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備依靠高性能傳感器技術(shù)滿足嚴苛的規(guī)格要求以及市場規(guī)定。而隨著人們對利用遠程和自我監(jiān)測技術(shù)進行家庭醫(yī)療的需

12、求越來越高，醫(yī)療設(shè)備、裝置和探頭中的電子系統(tǒng)利用傳感器信號實現(xiàn)控制活動、精確診斷和治療。傳統(tǒng)的壓力傳感器，如今也有了很多的創(chuàng)新應(yīng)用，比如尿動力測試，比如輔助嬰兒分娩等。這次給醫(yī)療器械從業(yè)者朋友們分享的是醫(yī)療器械行業(yè)中最具創(chuàng)新代表性的血氧傳感器和氣泡傳感器的解決方案。1.作為醫(yī)療設(shè)備市場內(nèi)領(lǐng)先的傳感器解決方案供應(yīng)商，TEConnectivity(TE)致力于滿足多種醫(yī)療和保健應(yīng)用的嚴格要求，提供心血管監(jiān)測和診斷傳感器包括測量血氧飽和度（SpO?）和脈搏的光學(xué)傳感器。血氧含量低會對包括心臟和大腦在內(nèi)的細胞功能造成負擔(dān)。這在嚴重就醫(yī)情形如手術(shù)后的恢復(fù)中至關(guān)重要。TE的SpO?血氧傳感元件在血氧飽和度

13、的檢測中提供了一流的精度。其紅光LED波長公差可達660nm 2nm。這種精度是由專有的發(fā)射器，光譜匹配一個檢測器來實現(xiàn)的。在醫(yī)療急救中，血氧飽和度水平的測量精度可能意味著生與死的區(qū)別。TEConnectivity 血氧傳感器憑借久經(jīng)考驗的可靠性和專業(yè)知識，TE設(shè)計出了具有同類領(lǐng)先，靈活度高的傳感器，以適應(yīng)多種波長選擇。規(guī)?；纳a(chǎn)能力，可為客戶提供元件或者傳感器成品組件，包括一次性血氧傳感器和重復(fù)性使用血氧傳感器，這使TE成為高精度，高耐用性和高性能脈搏血氧儀應(yīng)用的絕佳選擇。技術(shù)優(yōu)勢： 微型、低成本發(fā)射器以及檢測器組合 雙驅(qū)動、帶透明的環(huán)氧樹脂透鏡的影像發(fā)射器 四種標準 IR LED 波長選

14、項：880nm、905nm、910nm 以及 940nm 響應(yīng)快且效率高的檢測器組件 具有生物兼容性的傳感器組合 不含乳膠成分的一次性脈搏血氧儀傳感器 輕量化軟墊設(shè)計確保患者舒適度 可擴展、增加價值的制造 - 能夠提供組件或完整的脈搏血氧儀傳感器（可重復(fù)使用的傳感器以及一次性傳感器） 易清潔的指夾式脈搏血氧儀傳感器設(shè)計TEConnectivity 指夾式血氧探頭對醫(yī)療器械產(chǎn)品開發(fā)工程師來說，在進行醫(yī)療設(shè)備開發(fā)過程中，不僅僅是對適用的醫(yī)用傳感器選型，更多的還會考慮醫(yī)用傳感器廠商的技術(shù)支持和解決方案，能幫助其實現(xiàn)醫(yī)療產(chǎn)品的預(yù)期功能和性能。2.說到醫(yī)用傳感器的解決方案，不得不提及在診斷治療領(lǐng)域的新品

15、-氣泡傳感器。TE AD-101氣泡傳感器，檢測輸液管氣泡，主要用于醫(yī)療與3D打印更好地檢測氣泡的存在情況。利用超聲波技術(shù)，可以非接觸地識別輸液管中的氣泡與液體。AD-101氣泡檢測傳感器技術(shù)優(yōu)勢： 檢測小至熱縮管內(nèi)徑的 70% 大小的氣泡 傳感器可定制，以適合各種導(dǎo)管 尺寸為 3 mm 至 10 mm 的熱縮管 非侵入式設(shè)計解決了在流體環(huán)境下如何保持無菌狀態(tài)的問題 對 EMI/RFI 的抗干擾度高 無需聲波耦合劑 一體式電子產(chǎn)品 通電并持續(xù)進行自我診斷測試以確認功能是否正常輸液泵、血液透析及流量檢測應(yīng)用設(shè)備對某些重大的醫(yī)療情況至關(guān)重要，易于集成并具有卓越可靠性能的耐用傳感器對系統(tǒng)性能起到可靠

16、的保障與支持作用。TE設(shè)計并制造全新的AD-101氣泡檢測傳感器，它可進行持續(xù)自我診斷且裝配靈活，可以使最關(guān)鍵的一些應(yīng)用設(shè)計得以實現(xiàn)，讓工程師在應(yīng)用過程中更有信心。七、醫(yī)用傳感器的基本要求醫(yī)用傳感器作為傳感器的一個重要分支，其設(shè)計與應(yīng)用必須考慮人體因素的影響，考慮生物信號的特殊性、復(fù)雜性，考慮生物醫(yī)學(xué)傳感器的生物相容性、可靠性、安全性。1、傳感器本身具有良好的技術(shù)性能，如靈敏度、線性、遲滯、重復(fù)性、頻率響應(yīng)范圍、信噪比、溫度漂移、零點漂移、靈敏度漂移等。2、傳感器的形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)與被檢測部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，使用時，對被測組織的損害要小。3、傳感器對被測對象的影響要小，不會對生理活動帶來負擔(dān)，不

17、干擾正常生理功能。4、傳感器要有足夠的牢固性，引進到待測部位時，不致脫落、損壞。5、傳感器與人體要有足夠的電絕緣，以保證人體安全。6、傳感器進入人體能適應(yīng)生物體內(nèi)的化學(xué)作用，與生物體內(nèi)的化學(xué)成分相容，不易被腐蝕、對人體無不良刺激，并且無毒。7、傳感器進入血液中或長期埋于體內(nèi)，不應(yīng)引起血凝。8、傳感器應(yīng)操作簡單、維護方便，結(jié)構(gòu)上便于消毒。八、醫(yī)用傳感器的市場及國內(nèi)行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)如今醫(yī)療傳感器幾乎無處不在，且仍在繼續(xù)增長。據(jù)行業(yè)研究報道，2012年該市場的規(guī)模就達到了80億美元，其中生物傳感器占到了總營收的60%多。按地域劃分，北美市場占42%的份額，歐洲占32%，亞洲占26%。 科利登研究表示更

18、讓人欣喜，2017年一次性醫(yī)療傳感器市場價值達到44.418億美元，預(yù)計到2026年將達到8.1187億美元，從2018年到2026年的復(fù)合年增長率為6.81。在國內(nèi)，從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用的企業(yè)超過1700家，產(chǎn)業(yè)門類基本齊全，傳感器產(chǎn)品達到10大類、42小類、6000多個品種，無論是在健康醫(yī)療、城市規(guī)劃，還是城市交通方面，傳感器正在發(fā)揮著核心作用。據(jù)筆者檢索，國內(nèi)在醫(yī)療領(lǐng)域突出企業(yè)如無錫全能科技、西人馬等，而專注醫(yī)療領(lǐng)域傳感器的公司相對比較稀缺。國內(nèi)醫(yī)用傳感器廠商也面臨諸多挑戰(zhàn)。（1）創(chuàng)新能力有待提高：傳感器在高精度、高敏感度分析、成分分析和特殊應(yīng)用的高端方面與國外差距巨大，中高檔傳

19、感器產(chǎn)品大都從國外進口，90%芯片依賴國外。國內(nèi)缺乏對新原理、新器件和新材料傳感器的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力。（2）關(guān)鍵技術(shù)尚未突破：設(shè)計技術(shù)、封裝技術(shù)、裝備技術(shù)等方面都存在較大差距。國內(nèi)尚缺乏有自主知識產(chǎn)權(quán)的傳感器設(shè)計軟件，國產(chǎn)傳感器可靠性比國外同類產(chǎn)品低1-2個數(shù)量級，傳感器封裝尚未形成系列、標準和統(tǒng)一的接口。傳感器工藝裝備研發(fā)與生產(chǎn)被國外壟斷。（3）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理：品種、規(guī)格、系列不全，技術(shù)指標不高，國內(nèi)傳感器產(chǎn)品往往形不成系列。產(chǎn)品在測量精度、溫度特性、響應(yīng)時間、穩(wěn)定性、可靠性等指標與國外也有相當(dāng)大的差距。（4）企業(yè)能力弱：我國傳感器企業(yè)95%以上屬小型企業(yè)，規(guī)模小、研發(fā)能力較弱、規(guī)模效益差。

20、從目前市場份額和市場競爭力指數(shù)來看，外資企業(yè)仍占據(jù)較大的優(yōu)勢。九、未來醫(yī)用傳感器的發(fā)展趨勢傳感器在醫(yī)學(xué)研究與臨床診治中占據(jù)著重要地位，隨著工程技術(shù)和醫(yī)學(xué)科學(xué)的進步，生物醫(yī)學(xué)傳感器也必將得到迅速發(fā)展。當(dāng)今醫(yī)用傳感器的研究方向： 對各種創(chuàng)新型傳感器的開發(fā)與研究； 對多功能傳感器的研究，他們可以被集成到一起，同時監(jiān)測多路信號； 對智能傳感器的研究，它是傳感器與計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，智能傳感器不僅能完成基本的傳感和信號處理任務(wù)，還有自診斷、自恢復(fù)及自適應(yīng)的功能。傳感器本身的開發(fā)研究有兩個分支，一個是有關(guān)傳感器基礎(chǔ)的研究，即新技術(shù)和新原理的的研究，主要集中在新材料和超微細加工技術(shù)方面；另一個是新型傳感

21、器產(chǎn)品的開發(fā)，重點解決光技術(shù)的應(yīng)用，微電子封裝技術(shù)和一次性芯片等。目前熱門的研究課題有多功能精密陶瓷材料在傳感器中的應(yīng)用、生物功能性物質(zhì)在傳感器開發(fā)中的利用，微細加工技術(shù)制造超小型傳感器的研究等。此外，發(fā)展化學(xué)傳感器和生物傳感器是傳感器技術(shù)發(fā)展的另一趨勢，尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的更具實用性，有利于促進醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究、臨床診斷和環(huán)境醫(yī)學(xué)的發(fā)展。在國際上，醫(yī)用傳感器的五個關(guān)鍵發(fā)展方向介紹如下：（1）超低功耗傳感器英國劍橋大學(xué)工程學(xué)院研發(fā)出超低功耗晶體管，以此為基礎(chǔ)器件，能夠通過捕獲其周圍環(huán)境中的能量，無需電池即可工作數(shù)月甚至數(shù)年，這種晶體管適用“泄漏”的微小電流維持工作，即近關(guān)斷狀態(tài)電流。這種泄漏就像從

22、一個壞水龍頭中不斷滴答出的水滴，是所有晶體管的特性，但是首次被有效地捕獲和利用。該晶體管的主要優(yōu)勢是：能夠在非常低的溫度制造；能夠印刷在任何材料表面，從玻璃和塑料到聚酯和紙張；晶體管尺寸可繼續(xù)縮小；可提供同樣的高增益或信號放大能力；工作電壓小于1V，功耗小于10億分之一瓦（1nW）。主要應(yīng)用領(lǐng)域為可穿戴器件和植入式器件中超低功耗傳感器接口和模擬信號電路帶來新的設(shè)計模型，很好地滿足健康監(jiān)控等應(yīng)用所需可穿戴或可植入式電子設(shè)備需求。（2）利用3D打印技術(shù)打印傳感器美國一研究學(xué)院公報稱，其研究小組開發(fā)出一種新的3D打印技術(shù)，可打印具有集成傳感器功能的器官芯片，他們將柔性應(yīng)變傳感器與人體組織微架構(gòu)集成，并開發(fā)出6種不同的“油墨”，然后利用3D打印技術(shù)，通過一種單一、連續(xù)的制造過程，打印出心臟芯片。這個芯片上有眾多“小井”，每個“小井”中有獨立的組織和集成傳感器。