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1、哈工程图形图像作业 学院 图形图像技术新应用 (小论文) 学 号： 专 业： 学生姓名： 任课教师： 2015年4月 传感器在医疗中的应用 哈尔滨工程大学自动化学院 摘 要：传感器是一门十分综合的科学和技术。随着科学技术的快速发展，传感器的概念也应随之发展。医 疗传感器的应用和推广大大降低了人工成本和诊断错误的产生，同时也提高了自动化程度和精确 度，这一切使得持续的监控和治疗成为可能。医疗传感器节点与监护基站组成个人或家庭或者病房无线传感器网络，多个这样的网络可以组成社区或整个医院监护网络，甚至更大范围的远程医疗监护系统。本文主要介绍了传感器的各个种类和主要用途，以及医用传感器在未来的发展前景
2、。 关键词：医疗 传感器 植入式 监护网络 1.发展背景 传感器是一门十分综合的科学和技术。随着科学技术的快速发展，传感器的概念也应随之发展，它是当代科学技术发展的一个重要标志，也是现代生物医学、自动化检测、环境保护等领域中必不可缺的器件，传感技术和计算机技术以及通讯技术并成为现代信息产业的三大支柱1。 医用传感器是应用于生物医学领域的那一部分传感器，是把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。医疗传感器的应用和推广大大降低了人工成本和诊断错误的产生，同时也提高了自动化程度和精确度，这一切使得持续的监控和治疗成为可能。医疗传感器的开发始于七十年代中期，最先问世的是生物传感器
3、酶电极，由Clark和Lyons提出。进入八十年代之后，随着离子敏场效应晶体管的不断完善，于1980年Caras和Janafa率先研制成功可测定青霉素的酶FET。 2.应用现状 就目前而言，医疗传感器已经十分广泛地应用到治疗中了，包括对病人情况的实时监测、对治疗手段进行辅助，对治疗方法进行优化等等。 医学中对传感器也有严格的要求：特别是针对用于人体的传感器和换能器，其安全性、灵敏度、信噪比都必须达到一定的标准；要保证物理安全性，可以通过电的隔离和浮置技术；还要保证其化学安全性，要求其无毒性、无近期和远期 的致癌效应；还有其生物安全性，要求无DNA和RNA突变；也要保证较高的选择性，可以通过共振
4、效应、滤波技术、自适应技术、分子识别与离子识别技术；最后，还要通过物理、化学和生物放大技术以保证高灵敏度。 目前，传感器就其体积来说，有两个主要的发展方向微型化和巨型化。我认为在医学治疗中，大量微型化的传感器的应用会将目前的医疗水平提升一个档次。这些微型的传感器不仅运用灵活，更主要的是它们可以大大减轻病人的负担和痛苦，这对于正处在病痛折磨下的病人来说实在是福音。试想，如果能够做出微型摄像头并置于胶囊中，而且可以对其进行控制，就完全可以代替给病人做胃镜，这样不仅大大减小了病人的痛苦，也可以减轻医生的压力2。 此外，其他传感器，如植入式传感器，可以通过手术植入病人需要观测的部位，对该部位进行持续并
5、且精准的监测。植入传感器的特点是体积小、重量轻、与人体特性兼容以及功耗小，不会随时间推移而变质。但是，这类传感器的审核严格，开发和验证周期长，成本也高，且操作手术的医生必须十分专业，而且其功耗也是研究的重点。目前的两种解决方法分别是利用压电薄膜传感器和使用无线电射频。其各项性能也在不断完善之中，将来，这类传感器如果能够成功而广泛地应用到医学领域中，实在是很大的科技进步。 3.医疗传感器分类 传感器种类繁多，据不完全统计，有3万种，压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征，流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%
6、。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。 医用传感器按其应用形式主要分为四类，分别为植入式传感器、暂时植入体腔式传感器、体外传感器和用于外部设备的传感器。按其工作原理也可分为四大类：物理传感器、化学传感器、生物传感器、生物电电极传感器。这几类传感器有可以按照工作原理和被测量量等再分为更具体的类别。我认为在减轻病人身体负担和痛苦的方面，最有影响力的应该是植入式传感器，如用于治疗糖尿病的葡萄糖酶电极传感器。 如果按照检测的种类区分，有位移传感器、流量传感器、温度传感器、速度传感器、压力传感器等。对于压力传感器，包括有金属应变片压力传感器、半 导
7、体压力传感器、电容压力传感器等所有能够检测压力的传感器。对于温度传感器，包括热敏电阻、热电偶、pn结温度传感器等所有能够检测温度的传感器。 还有可以根据传感器所能替代的人体感官对传感器进行分类的方法。例如：视觉传感器包括各种光学传感器以及其他能够替代视觉功能的传感器。听觉传感器，包括各种拾吉器、压电传感器、电容传感器以及其他能够替代听觉功能的传感器。嗅觉传感器包括各种气体敏感传感器以及咒他能够替代嗅觉功能的传感器。这种分类方法有利于仿生传感器的开发。除了广述列举的常见传感器分类方法外，还合根据传感器材料、传感器结构、能量转换分式等多种分类方法，都具有各自的优点和局限性。 图一 手指传感器 图一
8、所示的是一种手指传感器，由GLN公司开发研制，其以手指传感器为基础，配套开发的Kinesia系统，除可用于监测病情进展以及对参与临床实验帕金森患者的治疗效果进行评估外，还能够帮助神经病学医生调整已植入脑起搏器（DBS）的相关设置。该系统的传感器可捕捉线性加速度和角速度，再通过GLN软件对这些数据加以处理并转换成分值，医生们可借此判断在固定时间内震颤的严重程度，这对于帕金森症的治疗有巨大的帮助3。 4.具体应用 现在的很多国家的人都患有心脑血管疾病，糖尿病等“富贵病”是其诱因之一。糖尿病并不可怕，可怕的是它所引起的各种并发症，最严重的是造成血管的堵塞，从而引起脑血栓、心肌梗塞等很难救治的病。而且
9、由于生活水平的提高，现在得“富贵病”人越来越多，寻找有效地治疗手段已经迫在眉睫。血糖水平是糖尿病诊断和治疗过程中最主要的检测参数。目前，市场上已经有了商品化的葡 萄糖传感器，但是其产品性能和生产工艺仍有很大的提高空间，此外，一些科研中心和高校研制出一种新型葡萄糖酶电极。这种新型葡萄糖酶电极较之前的葡萄糖传感器而言在很多方面都有提高，如其更低的成本、更高的生产效率、更有效地防止酶流失、更好地保持酶活力等4。这种方案能够较为有效地控制糖尿病人体内血糖浓度，对糖尿病的治疗有很大的帮助。 体外传感器在实时监测中也有很大的用途。例如一次性血压传感器，其传感器本身是安装在体外的，但会与体液直接接触。这类传
10、感器用于手术过程中以及在重症监护室连续监控患者的血压。这种血压测量方式在监测患者静脉压力时尤为理想。传感器出于卫生的考虑应每24小时更换一次，带有传感器的模组可方便的接插到监控器以读取数据。另外一个典型的例子是传感器用于血管的重建手术。在该应用中，压力传感器用来控制血管重建气球的充气，防止因为压力过大而导致气球爆裂。 用于外部设备的传感器并不与人体或体液接触。在大部分情况下，这些传感器是多次使用的。该类传感器大部分应用于医院或家庭监护设备中。典型的应用是在输液泵中使用一个力传感器来探测输液管阻塞和气泡等问题，另外一个应用就是测量腕部的动脉血压和脉搏等。 将多种传感器应用于患者的病床，可以监测病
11、患的多种体征：力传感器用来测量重量；压电薄膜传感器用于测量心率和呼吸模式；热电堆传感器用于测量体温；血氧传感器用于测量血氧含量； 传感器用于测量新陈代谢；流量传感器用于辅助呼吸；力传感器用于测量氧气瓶中剩余的氧气含量。 由于传感器对于提高医疗产品的效率、舒适度、方便使用性、可靠性和创新性的作用越来越明显。传感器在医疗方面的应用层出不穷，如以下几个应用：心脑血管疾病的监控与诊断；硅微机电压力传感器用于测量腕部血压；用于制作心脏监控贴，可以利用压电薄膜振动传感器远程监测急症患者心脏跳动节奏和其他信号；电子听诊器，利用压电薄膜传感器作为接触式麦克风，可用于监测心跳、呼吸等；热稀释传感器，植入式NTC
12、热敏电阻用于测量血压变化及供血量；心脏起搏器，利用压电薄膜传感器监测心脏的活动情况，通过加快心跳增加供血量；睡眠窒息监护，利用压电薄膜传感器作为动态应变片监测胸部运动、打鼾及呼吸；等等5。 5.监控网络 医疗传感器节点与监护基站组成个人/家庭或者病房无线传感器网络，多个这样的网络可以组成社区或整个医院监护网络，甚至更大范围的远程医疗监护系统。首先，医疗传感器节点采集人体生理参数，并对采集到参数简单处理后，通过无线通信的方式直接或者间接逐跳方式把数据传输到基站上。监护基站对数据进行进一步处理后转发给监护中心，监护中心进行分析处理，并及时对病人进行信息反馈。监护中心还可以采用多种方式(Intern
13、et，移动通信网络等)进行远程数据传输，与其它监护中心共享信息6-8。图二是监控人体健康网络的示意图。 图二 人体健康监控网络 构建监护网络的传感器主要应用如下： 注射泵中用于检测脉管梗塞（导管堵塞）的测压元件 注射泵中用于检测流速、注射器是否为空和注射器是否堵塞的电磁编码器 肺活量计中用于测量哮喘病人呼吸强度的微电子机械系统流速传感器 用于研究帕金森病人颤动情况的超小型微电子机械系统加速传感器。 用于研究睡眠窒息的压电（或热电）传感器。 用于监控和测量手腕动脉脉压的微电子机械系统 压力传感器。 用于输氧控制及监控储氧罐存量的微电子机械系统和测压传感器。 用于测量体表/体内温度的NTC温度传感
14、器 袖袋血压传感器工具箱中所使用的基于微电子机械系统的压力传感器。 6.未来前景 随着科技的发展与进步，当下研究医用传感器的技术人员越来越多，也会大批量地传感器产品涌入市场，国家必须制定严谨的政策来确保其安全性和不被垄断，能够使医用传感器有效地为人们服务。 此外，国家也应鼓励医用传感器的研发，这在未来很可能是一项可以提高我国科研和医疗水平的一方面，更重要的意义在于，正确地利用传感器能大大减轻患者的痛苦，并且更精准地提供实时的情况，减少医疗事故的发生。其次，随着技术的发展，无线医疗传感器节点逐渐向多参数、智能化、微型化、低功耗等方向发展，无线传感器网络也将逐渐被实际应用于医疗领域。发展与组建具有
15、智能化的病房与社区监护系统是当今国内外医疗发展的趋势。如果能够抢占先机建立起我国的无线传感网络，不仅仅对整个医疗系统，也将对我国社会生活的各个方面产生质的影响，因此，我国应趁着科技飞速发展的时期着手建立无线传感器网络，起码为今后在医疗上实现没有因时间延迟救治而造成的伤亡，减少错误诊断造成的救治失误。 参考文献 1夏西泉，曹毅.生物医学传感器的发展与应用综述.重庆职业技术学院学报.Vol.17,1-5. 2Steve Taranovich.生物医学电子学领域的医疗传感器.EDN CHINA电子设计技术.2012,19,1-10. 3Findlow A; Goulermas J Y; Nester C. Predicting lower limb joint kniematics using wearable motion sesors. Gait&posture,2008. 4高跃明，潘少恒，麦炳源.植入式医学传感器体内通信的建模与分析.仪器仪表学报.Vol.33,12-19. 5张玲娜，魏娜，马艳.生物传感器在现代医学模式中的应用.
