俞冰 張曉霞 張宇雪 王列震 陳鑫 林曉雷 溫州醫(yī)科大學(xué)眼視光學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 （浙江 溫州 325000）

◎ 綜述

傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用

俞冰 張曉霞 張宇雪 王列震 陳鑫 林曉雷 溫州醫(yī)科大學(xué)眼視光學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 （浙江 溫州 325000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，傳感器技術(shù)不斷獲得突破性進(jìn)展，關(guān)于人類醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的傳感器應(yīng)用也得到了空前的進(jìn)步。本文就國內(nèi)外對于高血壓、心臟病、糖尿病及癌癥等疾病的傳感器新發(fā)展做了探析。

傳感器 醫(yī)學(xué)疾病 發(fā)展應(yīng)用

19世紀(jì)以前，天花、霍亂、鼠疫、白喉等由病原菌引起的傳染病引起人們的恐慌；20世紀(jì)中期，貧血、胃潰瘍、生長緩慢等慢性疾病嚴(yán)重威脅人類生命；20世紀(jì)末至21世紀(jì)，高血壓、心臟病、糖尿病、結(jié)石病、癌癥、艾滋病等現(xiàn)代文明病尚未找到最佳治愈方式。人類與疾病的斗爭從未停止。醫(yī)用傳感器是應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的傳感器，是把人體的生理信息轉(zhuǎn)換成為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電信息的醫(yī)學(xué)器材。隨著生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展，傳感器成為了各種醫(yī)療手段必不可少的核心技術(shù)之一。本文圍繞醫(yī)用傳感器在一些特定疾病治療中的發(fā)展與應(yīng)用做一綜述。

1.醫(yī)用傳感器的發(fā)展

傳感器的發(fā)展過程大致分為三個階段。第一階段是結(jié)構(gòu)型傳感器。這種類型的傳感器是以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將生物信號轉(zhuǎn)化為某些物理量的改變（例如長度、形狀等），再將其轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行處理分析的電信號。例如電容式壓力傳感器，它是根據(jù)電容間隙的變化導(dǎo)致電容值的變化，從而實(shí)現(xiàn)對壓力的測量。再例如電阻應(yīng)變式傳感器，它是利用金屬材料發(fā)生彈性形變時電阻的變化來實(shí)現(xiàn)對壓力的測量的。第二階段主要以固體傳感器為代表，在70逐漸發(fā)展起來。這種傳感器由半導(dǎo)體電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料某些特性制成的。第三階段是80年代剛剛發(fā)展起來的智能傳感器，它具有信息處理的功能并且自帶微處理機(jī)，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。與一般傳感器相比，智能傳感器具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢，例如：通過軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化等。90年代智能化測量技術(shù)有了進(jìn)一步的提高，在傳感器一級水平實(shí)現(xiàn)智能化，使其具有自診斷功能記憶功能、多參量測量功能以及聯(lián)網(wǎng)通信功能等[1]。近年來，傳感器正由傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型。微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化是新型傳感器的特點(diǎn)，它有利于改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，并可引導(dǎo)建立新型工業(yè)。

2.傳感器在醫(yī)學(xué)疾病中的應(yīng)用

2.1 傳感器在高血壓測量監(jiān)護(hù)的應(yīng)用

血壓測量常分為有創(chuàng)和無創(chuàng)兩大類。①有創(chuàng)血壓測量臨床上主要采用導(dǎo)管術(shù)的方法。先通過穿刺，將導(dǎo)管置于被測部位的血管內(nèi)，血管內(nèi)的壓力通過導(dǎo)管內(nèi)的液體傳遞到外部的壓力傳感器上，傳感器的一端接檢測儀，另一端連接自動沖洗裝置，然后通過特定的計算方法，就可以將動脈壓力值顯示在檢測儀上[2]。②無創(chuàng)血壓測量的方法有很多，最主要的一種方法是通過外部加壓阻斷動脈，對脈搏的變化或血流的變化進(jìn)行分析處理獲得血壓值，其中可分為柯氏音法、超聲法、測振法等。

近年來穿戴式血壓測量儀器層出不窮。Ferreira Marques FA等研究設(shè)計的穿戴式心電血壓監(jiān)測系統(tǒng)，可以連續(xù)記錄人體的血壓和心電。

2.2 傳感器在心臟病監(jiān)測的應(yīng)用

對心電信號的檢測已成為長時間家庭監(jiān)護(hù)中應(yīng)對老齡化社會醫(yī)療方式轉(zhuǎn)變的重要問題[3]?，F(xiàn)今新基于容性耦合原理所完成的電容式非接觸心電傳感器的設(shè)計，降低了運(yùn)動偽跡的影響，完成了噪聲屏蔽，優(yōu)化了濾波結(jié)構(gòu)[4]。心臟生理功能人體心電的關(guān)系密切，心電圖波形可以將豐富的心臟及其神經(jīng)系統(tǒng)活動信息表示出來，在心臟疾病的治療、診斷和預(yù)防等方面起著廣泛的應(yīng)用。心電診斷方法是心血管疾病診斷中一種十分重要的方法，對心房、心室肥大，輔助診斷心肌梗死、心肌炎等疾病均有很高的價值。

2.3 傳感器在糖尿病治療中的應(yīng)用

目前較廣泛使用的植入血糖檢測儀都屬于微創(chuàng)，即將細(xì)針狀傳感器探頭直接刺入皮下，基座和數(shù)據(jù)部分固定在皮膚上。經(jīng)過數(shù)十年的研究，在血糖儀的探索獲得了一定的結(jié)果[5]。可以通過無創(chuàng)傷或極微小的創(chuàng)傷直接檢測體液中的微量葡萄糖；利用光譜法對血糖進(jìn)行測量分析；利用能量代謝守恒法測量血壓。這些測量方法都應(yīng)用了傳感器，這才使技術(shù)造福人類[6]。

2.4 傳感器在癌癥研究的應(yīng)用

腫瘤標(biāo)志物一般是由胚胎組織正常產(chǎn)生，或者由腫瘤組織直接產(chǎn)生。由于腫瘤標(biāo)志物與癌癥之間的特異性很差，因此單一腫瘤標(biāo)志物免疫傳感器通常限制其診斷價值，構(gòu)建一種多種腫瘤標(biāo)志物免疫傳感器（多靶標(biāo)免疫傳感器）非常必要[7]。Wilson等[8]首次構(gòu)建了一種能通過電化學(xué)酶聯(lián)競爭免疫分析來實(shí)現(xiàn)同時檢測的陣列免疫傳感器?，F(xiàn)今最新進(jìn)展有電流型多靶標(biāo)免疫傳感器的常用模式是“三明治夾心”型，即在檢測電流也隨之增大。電流型多靶標(biāo)免疫傳感器成功實(shí)現(xiàn)，需要同時獲得兩種或以上可顯著區(qū)分的電流信號，將不同的電活性物質(zhì)標(biāo)記于不同的抗體上通過免疫反應(yīng)得到相應(yīng)的檢測信號。此外，石墨烯復(fù)合物用于腫瘤標(biāo)志物多靶標(biāo)電化學(xué)免疫檢測法也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和靈敏度[9]。

3.小結(jié)與展望

傳感器正不斷地影響著人們的生活，這是人類的力量，也是醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展的魅力，科研工作者通過不斷地探索和研究，正在攻克一個又一個的疾病難題，相信在未來的發(fā)展之中，傳感器的研究會有更大的創(chuàng)新與突破，進(jìn)而廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域之中，為人類自身的生活做出更大的貢獻(xiàn)。

[1] 高存貞.國外傳感器技術(shù)的發(fā)展概況及趨勢[J].微電子學(xué)與計算機(jī),1991,8(12):48-51.

[2] 余立君,黃振,王兢業(yè),等.有創(chuàng)血壓測量技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2015,30(3):67-70.

[3] Ferreira Marques FA,Ribeiro DMD,Colunas MFM,et al.AReal Time,Wearable ECG and Blood Pressure Monitoring system[C].//Information Systems and Technologies(CISTI),2011 6th I-berian Conference on.IEEE,2011:1-4.

[4] Pragnya KR,Chaitanya JK.Wireless Sensor Network based Healthcare Monitoring System for Homely Elders[J].International Journal of Advances in Engineering & Technology,2013,6(5):2078-2083.

[5] Chen C,Xie Q,Yang D,et al.Recent advances in electrochemical glucose biosensors:a review[J].Rsc Advances,2012,3(14):4473-4491.

[6] 黃絮,李勇,陳思平,等.無創(chuàng)及微創(chuàng)血糖儀研究進(jìn)展[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程報,2016,35(5):598-604.

[7] 陳夏.電流型免疫傳感器同時檢測多種腫瘤標(biāo)志物研究進(jìn)展[J].廣東化工,2016,43(14):83-84.

[8] Wilson MS,Nie Weiyan.Multiplex Measurement of Seven Tumor Markers Using an Electrochemical Protein Chip[J].Anal Chem,2006,78(18):6476-6483.

[9] 賈新樂.石墨烯復(fù)合物用于腫瘤標(biāo)志物多靶標(biāo)電化學(xué)免疫檢測[A].中國化學(xué)會第十四屆膠體與界面化學(xué)會議論文摘要集-第6分會:膠體與界面化學(xué)技術(shù)、應(yīng)用與產(chǎn)品[C].中國化學(xué)會,2013:1.

The Application of Sensors in Medical Fields

YU Bing ZHANG Xiao-xia ZHANG Yu-xue WANG Lie-zhen CHEN Xin LIN Xiao-lei School of Ophthalmology & Optometry, School of Biomedical Engineering,WMU (Zhejiang Wenzhou 325000)

1006-6586(2017)15-0017-02

R197.39

A

2017-06-23

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動（新苗人才計劃），AD（阿茲海默癥）患者感應(yīng)定位報警器創(chuàng)新設(shè)計（項(xiàng)目編號：2016R413038）。