張玲 宋霄薇

(河南科技大學(xué),河南洛陽(yáng) 471003)

生物醫(yī)學(xué)傳感器與醫(yī)療保健系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張玲 宋霄薇

(河南科技大學(xué),河南洛陽(yáng) 471003)

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，對(duì)生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究進(jìn)入了全新的階段，生物醫(yī)學(xué)傳感器作為現(xiàn)代醫(yī)療保健系統(tǒng)的主要發(fā)展驅(qū)動(dòng)力有著低成本、高質(zhì)量的特點(diǎn)。其中，生化傳感器和微傳感器的發(fā)展更加迅速，針對(duì)生物醫(yī)學(xué)傳感器的原理、發(fā)展、應(yīng)用情況進(jìn)行分析論述，可以更深入的了解生物傳感器和醫(yī)療保健系統(tǒng)的應(yīng)用近況。

生物醫(yī)學(xué)傳感器 醫(yī)療保健 應(yīng)用

1 引言

隨著世界人口的日益老齡化，對(duì)于生物醫(yī)學(xué)傳感器的開(kāi)發(fā)研究提出了更高的要求，醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展可以更好地預(yù)防、檢測(cè)、治療各種疾病，它作為醫(yī)療保健系統(tǒng)的重要組成部分在應(yīng)對(duì)疾病挑戰(zhàn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。醫(yī)療保健系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素在于應(yīng)用高級(jí)功能生物材料和研發(fā)新型技術(shù)創(chuàng)造智能、微型、可靠、成本低、多功能、高效率的生物醫(yī)學(xué)傳感器，實(shí)時(shí)對(duì)人體的狀態(tài)以及功能進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)控和檢測(cè)，確保在不間斷的觀察下及時(shí)發(fā)現(xiàn)疾病并做出及時(shí)的治療。

2 生物傳感器簡(jiǎn)介

（1）生物傳感器定義。生物傳感器是指：利用具有固定化的生物分子與換能器結(jié)合，用于偵察生物體內(nèi)或生物體外的環(huán)境化學(xué)物質(zhì)以及和它發(fā)生特異性交互反應(yīng)并產(chǎn)生響應(yīng)的裝置。生物傳感的關(guān)鍵組成部分主要有兩個(gè)，其一是來(lái)自于生物體組織部分、生物體分子和個(gè)體細(xì)胞的分子辨認(rèn)組成部件，這一部分是生物傳感器的信號(hào)產(chǎn)生和接收部分，另一部分為儀器的硬件組成部分，主要用于物理信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，檢測(cè)元件主要為光學(xué)檢測(cè)和電化學(xué)組成。隨著科技的發(fā)展，不斷涌入新材料、新原理、新技術(shù)，特別是生物芯片技術(shù)和微電子機(jī)械系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得生物傳感器逐漸發(fā)展成為具有微型化、智能化、集成化以及芯片化為特點(diǎn)的處理、生物檢測(cè)的微系統(tǒng)。（2）生物醫(yī)學(xué)傳感器工作原理。生物傳感器的使用原理為：被檢測(cè)的物質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散用與生物活性材料相結(jié)合，經(jīng)過(guò)分子的特異性識(shí)別后，發(fā)生化學(xué)或物理反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生一系列的信息，相應(yīng)的化學(xué)或物理?yè)Q能器將這些信息轉(zhuǎn)變成可以處理和可以定量的電信號(hào)，這些電信號(hào)再通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)輸出，便能檢測(cè)出待測(cè)物質(zhì)的相關(guān)信息。

3 生物醫(yī)學(xué)傳感器的應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)傳感器可以實(shí)時(shí)的對(duì)生物大分子之間的相互作用進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)動(dòng)態(tài)觀察抗體、抗原之間的結(jié)合作用以及解離關(guān)系，準(zhǔn)確計(jì)算抗體的親和力強(qiáng)弱，對(duì)人們了解單克隆抗體以及有目的的篩選具有應(yīng)用潛力的單克隆抗體具有重要作用。（1）臨床應(yīng)用。利用生物醫(yī)學(xué)傳感器可以用來(lái)檢測(cè)例如乳酸、血糖、谷氨酰胺等具有臨床意義的基質(zhì)。對(duì)患者的血藥濃度進(jìn)行檢測(cè)，使得以前的依靠經(jīng)驗(yàn)治療轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽靠茖W(xué)治療，對(duì)臨床檢驗(yàn)具有指導(dǎo)性意義。依靠科學(xué)的手段對(duì)其檢測(cè)能大幅度減小藥物的毒性作用，抑制毒性的發(fā)作?，F(xiàn)如今，血液中葡萄糖的檢測(cè)廣泛使用的為葡萄糖酶?jìng)鞲衅?，并已取得大眾的認(rèn)可。乳酸測(cè)定儀作為目前研究最為成功的一款商品酶?jìng)鞲衅?，可以檢測(cè)由于肌肉持續(xù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的乳酸代謝產(chǎn)物的含量，具有現(xiàn)實(shí)性意義。（2）生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。在應(yīng)用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥物過(guò)程中，使用生物傳感器監(jiān)視各時(shí)段生化反應(yīng)特征，可以及時(shí)獲得數(shù)據(jù)，對(duì)生物工程產(chǎn)品加以實(shí)施監(jiān)測(cè)，保證生物產(chǎn)品質(zhì)量。生物傳感器應(yīng)用于癌癥藥物的研發(fā)起到了巨大的作用，目前，在進(jìn)行癌癥藥物研究時(shí)，提取患者的癌癥細(xì)胞培養(yǎng)，分別把各種藥物作用于細(xì)胞，利用生物傳感器觀察癌癥細(xì)胞對(duì)每種藥物的反應(yīng)，從中選擇最為合適有效的治療藥物。

4 生物醫(yī)學(xué)傳感器發(fā)展趨勢(shì)

及時(shí)了解身體狀況、獲得身體健康信息是預(yù)防疾病的基礎(chǔ)措施。積極預(yù)防、早期診斷是系統(tǒng)性的預(yù)防疾病的重要方式。生物醫(yī)學(xué)傳感器作為一種新型醫(yī)療設(shè)備可以及時(shí)獲得這些信息，對(duì)于重病患者、慢性病患者以及從事特殊職業(yè)的危險(xiǎn)作業(yè)人員來(lái)說(shuō)，使用穿戴式傳感器或無(wú)線植入式傳感器對(duì)其重要的身體信息特征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展要求與生物傳感器的發(fā)展密切相關(guān)，利用生物傳感器對(duì)疾病患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)患者進(jìn)行篩查也變得越來(lái)越重要。遠(yuǎn)程醫(yī)療、一次性使用傳感器、遠(yuǎn)程會(huì)診業(yè)務(wù)會(huì)隨著家庭護(hù)理需求的增加而逐步發(fā)展擴(kuò)大。這些因素決定了未來(lái)生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展方向會(huì)是具有低成本、低功耗、智能化、微型化、多功能、遠(yuǎn)程供電、無(wú)損檢測(cè)、無(wú)線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。

（1）具有無(wú)損特點(diǎn)傳感器。在當(dāng)前的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上有著多種方法對(duì)相關(guān)醫(yī)學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，生化醫(yī)學(xué)傳感器大多是采用侵入式的方法對(duì)患者進(jìn)行檢測(cè)，這樣會(huì)對(duì)患者帶來(lái)一定的痛苦，不利于診斷的進(jìn)行。因此，選用非侵入式的無(wú)損醫(yī)學(xué)傳感器進(jìn)行檢測(cè)成為了最理想的檢測(cè)方法，開(kāi)發(fā)具有無(wú)損特點(diǎn)的醫(yī)學(xué)傳感器也是生物醫(yī)學(xué)傳感器發(fā)展的重點(diǎn)。（2）納米傳感器。納米技術(shù)是在原子和分子水平上完成對(duì)材料的設(shè)計(jì)、操作以及使用，并可以使材料產(chǎn)生新的功能特性、生物特性、化學(xué)特性、機(jī)械特性，生物醫(yī)學(xué)傳感器與納米技術(shù)的相結(jié)合有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ绕涫巧镄酒?、納米生物傳感器以及微型智能化醫(yī)療器械等方面的發(fā)展會(huì)對(duì)疾病的診斷、治療以及保健等方面發(fā)揮積極有效的作用。（3）人體局域網(wǎng)和無(wú)線傳感器。當(dāng)前醫(yī)學(xué)上對(duì)重病患者的監(jiān)測(cè)主要采用ICU等設(shè)備，然而ICU設(shè)施具有一些不利特點(diǎn)，例如：線路繁多、設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴、難以移動(dòng)等，并且過(guò)于繁多的線路會(huì)對(duì)患者的心里造成一定影響，制造緊張情緒，在這種影響下會(huì)導(dǎo)致對(duì)患者的診斷數(shù)據(jù)與真實(shí)情況發(fā)生偏差。針對(duì)這一情況研發(fā)的無(wú)線醫(yī)學(xué)傳感器，在其外部設(shè)備沒(méi)有線路連接，并通過(guò)無(wú)線通訊設(shè)施與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接，可以保證患者在正常的自由活動(dòng)下完成檢測(cè)，這樣可以確保檢測(cè)更加準(zhǔn)確、方便。

人體局域網(wǎng)是指將人體周圍可植入、可穿戴、可侵入的無(wú)線醫(yī)學(xué)傳感器，例如腕表型血糖傳感器、可在指尖穿戴的血氧傳感器、心電傳感器、血壓傳感器、呼吸傳感器等和便攜式的信息采集裝置或是具有特殊功能的手機(jī)相連接組成無(wú)線系統(tǒng)。人體局域網(wǎng)可以自動(dòng)診斷并對(duì)相應(yīng)情況發(fā)出報(bào)警信號(hào)。它在生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展中起著極大的推動(dòng)作用。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著人類基因組計(jì)劃的提出與實(shí)施，使得與醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、食品、衛(wèi)生等學(xué)科相關(guān)的各類生物傳感器得以極速發(fā)展，并給生物傳感器的進(jìn)一步研究提供了適宜的條件和平臺(tái)。因此，相信在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，會(huì)有不斷的新型傳感器被研發(fā)和發(fā)展，并會(huì)在生物信息研究、疾病診斷治療、基因檢測(cè)等方面展現(xiàn)極大的推動(dòng)作用。

[1]潘曉蘋,汪天富,張新宇.基于6S理念的生物醫(yī)學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)室管理探索．《信息通信》,2013,8(4):116.

[2]陳魯英,劉忠國(guó),劉伯強(qiáng).生物醫(yī)學(xué)傳感器與醫(yī)療保健系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)．《醫(yī)療衛(wèi)生裝備》,2012,9(12):56.