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1、基于移动手机平台的生物医学传感器技术大连理工大学Dalian University of TechnologyBiomedical sensor technologies on the platform of mobile phonesLin LIU, Jing LIU：清华大学 医学院 生物医学工程系, 中国 北京 100084, 邮箱: Jing LIU：中国科学院 化物所 中国 北京 100190摘要 生物医学传感器目前已经被广泛的使用在各种各样的生物医学实践当中，并在疾病检测、诊断、监测、治疗、健康护理等方面扮演了重要的角色。但是，大部分生物医学传感器和他们相关的平台通常不是很容易能够
2、获取，对于家用而言不是太贵了就是太复杂了。作为替代，使用移动手机的新技术逐渐改变了这样一个情况。几乎所有人都拥有的移动手机通过与各种生物医学传感器结合提供一个独一无二方式促进了医疗护理。不仅如此，系统的建立很便捷而且成本低。在这篇论文中，我们描述了生物医学传感器技术发展水平的概况。对基本原理做了一个简要的介绍，并且介绍了几个新例子或概念。重点尤其放在基于移动手机平台的生物医学传感器的创新上。一些挑战问题，包括可行性、易用性、安全性、和效率都提及了。在电子和机械技术的帮助下，可以预见生物医学传感器和移动手机平台的全面结合将会为即将到来的全民医疗带来一个光明的前景。关键词 生物医学传感器，普适技术
3、，移动手机，复合系统，健康管理1. 介绍 在现代社会中，人们越来越关注他们的健康医疗。随着不同学科的相互渗透和医学科学的进步，生物医学传感器在实践中扮演着一个至关重要的角色。现在，在生物医学测量和数据处理过程中传感器成为了一个基本组成部分。就像一个要根据病人生理信息诊断的医生的感官一样。 到目前为止，已经发展出了各种不同的生物医学传感器，包括物理，化学，生物传感器。这些都被用于采集数据，检测，监测和更多医疗相关的方面。对于住院，门诊以及在家疗养设计生物医学传感器去采集病人的数据是必需的。同样，监测也需要，特别是患有慢性疾病的人和生活在例如采矿、潜水、登山、和一系列军事安全活动等危险环境下的人。
4、生物医学传感器能够监测重要的人体功能和状态。例如血糖水平，心率，和有毒物含量。此外，当达到非正常的值得时候先进的算法可以触发警报。随着生物医学传感器变得越来越简单，易穿戴和舒适，在一些健康相关的应用和场景下，它们将被用作关键元件。通过使用新的技术，有可能设计出小型化，智能化，无害化和有性价比的具有全面功能的传感器。尽管在某些特定环境下使用的生物医学传感器和测量平台有点昂贵和复杂，但是它们是必需的而且有用的。很明显，为了建立大众医疗，应该努力去改变这种状况。另外，一个基于移动手机的大的解决方案很有必要。由于手机的便携型，有用性，相对低费用的特点，几乎每个人在日常生活中都要用到它。因此，如果基于移
5、动手机的集成化设备去实现生物医学传感器的功能，事情会变得更好。事实上，很多基于移动手机的传感系统已经做了示范。使用无线传感网络技术，手机可以被用在远程监控系统通过使用一些空气质量检测传感器去监测室内空气环境。将来，基于手机的医疗监测系统将被设计出来以用于慢性病的观察和住院，门诊，家庭疗养环境。通过对单独的简单的心电诊断算法的改进，手机可以执行数据的收集和处理任务。手机和传感器的复合系统能够识别人类的行为，知道什么活动是对老年人有帮助。有许多其他基于手机的系统使用生物医学传感器去实现在医疗和其他相关领域方面的功能。这种复合系统在生物医学工程领域有着光明的前景。的确，不仅在生物医学传感器自身也在移
6、动手机与传感器结合起来仍然存在一些问题。可行性，可靠性，安全性和精确性是需要考虑的重中之重。还有手机和传感器之间的电器连接的障碍也要克服。挑战在实现基于手机传感系统的机械技术方面更为明显。向这样一个符合系统努力一定会在研究和应用方面创造许多机会。建立这样一个系统会导致电气和机械技术迅速发展。考虑到应用，这个平台将会很容易建立以人类身体行为的基本力学表征的形式。在这篇论文中，我们首先对生物医学传感器和基于手机的传感系统做一个简要的介绍。然后，我们回顾一些生物医学传感器的基本知识并且举几个使用新方法和新应用的新型生物医学传感器的例子。基于手机的传感系统是一个重要的章节，通过理论分析和工程实例我们精
7、心写作了这一部分。不仅如此，在学习复合系统的过程中一些需要被解决的关键技术及问题也被提了出来。最后，我们总结基于手机的传感系统的优点和发展前景。2. 生物医学传感器的基本概念众说周知生物医学传感器被用来将一种信号的量例如温度、压力、速度等等转换成另一种量，通常是电信号。生物医学传感器获取表示生理特征的信号并且将它们转换成电信号。因此，生物医学传感器为生物和电子系统的连接服务。并且必须对两方都没有副作用，因为两方对传感器的表现都起了重要作用。根据被测量来看，生物医学传感器主要被归为三个类型，物理，化学和生物传感器。例如几何，热学，力学，液态变量，使用物理传感器测量。在这些传感器的应用方面，可能用
8、于测量肌肉位移，血压，体温，血流，脑脊液压，骨生长，磁场和辐射。至于化学传感器，被测的化学量用于识别特定的化学成分，分析各种化学成分的浓度，监测人体的化学反应。尽管生物传感器是特殊的化学传感器，它们仍然被单独归为特别重要的一类，生物传感器因免疫传感器，血糖仪，“化学金丝雀”，“共振的镜子”，生物芯片和生物计算机出名。不仅如此，随着生物恐怖主义潜在危险的增加，在这方面生物传感器作为低成本高效的器件被用于日常的应用中。人们也能从他们各自的立场看生物医学传感器。因此，它们可以被大致分类依据是否被用于临床诊断和治疗和是否被用于生物医学研究的数据采集。另一方面，生物医学传感器可以依据它们如何用于患者和研
9、究课题来分类。例如无创型，接触型，最小伤害，非伤害等等。普通传感器的基本原理是通过某个特定的传感单元收集被测数据和执行被测量和电信号的转换。在被测量和电信号之间有着确定的关系。一帮来说，一个传感器由传感单元，转换单元和信号调节单元组成。对于生物医学传感器来说最基本的，最独一无二的是传感单元。为了实现不同的功能，要考虑被测的生物系统与传感器之间的干扰，特别是植入材料，因为生物系统可能对传感器的性能有影响。传感器的封装也要考虑到不仅要保护在腐蚀环境工作的传感器也要允许传感器的部分与生物体真实环境接触，也要考虑到传感器的尺寸和结构。生物医学传感器有一个特定的测量目标，那就是人类身体的生理参数。因此，
10、生物医学传感器必须有一些特质，例如易用性，可植入性，可靠性，安全性，可延展性，和适应性。对于一些应用，功率问题，低电压电子和电池效率，无线技术。基础结构的优化提高了传感器的性能。3. 生物医学传感器的发展趋势有一系列的生物医学传感器已经被使用了很长时间，像血压计，呼吸流量计，体温计，血糖监测仪，心电图仪和一些化学电极。它们都很受欢迎且经常被使用。这里，我们结合例子描述生物医学传感器的发展趋势。3.1智能化和微型化智能化和微型化一直都是生物医学传感器的发展方向。因为生物医学应用常常要求一个化学传感技术的范围去监测人类身体环境，人们已经结合微传感器和微型软硬件系统形成智能化系统（图1），这种系统在
11、一个致密结构中可能做一些信号加工，数据处理，电源管理，热量控制，和交流。通过这种方式，生物医学传感器可以很好的被使用在航天空间和人工环境。例如机器人学习和认知。许多优秀的生物医学传感器正在或者已经向微型化转变已实现更好的性能。例如以导电性为基础的分压（）传感器（图2）。它通过一个可透气的薄膜从水溶液中分离被测物来测量电导并且有一个平面的和圆形的以宏指令记录原型的桥型设计。由于它被植入血管微型的传感器会导致少量组织损伤，因此我们需要考虑更多的因素包括分压值。现在，微电子机械系统和微型机械技术已经被用于缩小传感器尺寸。人们已经试图使用一个无线可弯曲的微机械的被动压力传感器去监测血压以检测腹主动脉瘤
12、并且在犬类模型活体中做实验。通过使用二氧化硅和一个尺寸只有的传感元件来组装的光纤微型压力传感器已经研制成功并且被用在气囊式的导管中以达到更加舒适和安全的测量压力。另外，一个压力传感系统包含一个微型的使用硅成键技术制作的电容型硅传感器和一个检测集成电路。薄厚膜处理由于这些薄膜特殊的性能和相对于微加工技术而言较低廉的生产成本，用于物理和化学传感器的制作时非常方便的。例如，用一对薄膜电容性电极组成的介质亲和力微型生物传感器被用于实际应用。长期持续的葡萄糖监测和一个使用厚膜技术测量经皮氧分压的生物医学传感器以获得快速和精确的响应来确定病人的呼吸状况。图1：在文献9中展示的基于贴片的传感器平台至于化学和
13、生物传感器，在生物医学应用中帮助做化学分析和临床诊断的微型芯片已经出现。微型芯片能够很好的用于监测乳腺癌细胞的滋生、微流体和纳流体泵在化学分析中展现更好的效果、植入式医疗器械、药物传输系统和临床诊断系统。通过这些技术，小型和相对低成本的生物医学传感器使它们对生物医学应用非常有用。图2：一个新型用于测量二氧化碳分压10的传感器，左边是平面波导传感器，右边是圆柱形传感器。3.2 新颖性可以肯定，有太多的生物医学传感器我们不能一一列举，不仅如此，还有大量新出现的种类。至于新颖性，我们可以讨论新材料，方法，科技或者生物医学传感器的新应用。对于新材料，我们把重点放在液晶材料、智能凝胶和纳米复合材料的应用
14、上。用液晶材料制作的生物医学传感器（图3）正在被开发以用于光谱学，成像学和显微学，以及为光学探索生物系统带来新技术。液晶材料会帮助开发更广泛的先进的生物医学材料和设备。用于一系列应用和主要的化学或者生物检测和分析中的智能型聚合物凝胶构成的新一代生物材料正在被开发。使用新型方法，我们可以制作对被测物敏感的水凝胶。像PH敏感型和葡萄糖敏感型用于特殊的分子识别。水凝胶阵列被用来分析在自然环境中的复杂的细胞行为，并且我们可以使用这些“聪明的”聚合物凝胶把微型压力传感器转换成新型的化学机械传感器来做更多的分析。研究者已经发现，对于葡萄糖检测，玻璃碳电极可以被酚藏花红功能性的多层牛皮纸制碳纳米管纳米复合材
15、料薄膜以及镀氧化锌的纳米铜粉薄膜电极改良，由于表面等离子体能够增加金银纳米粒子表面能量传递，因此良好的减缓了过氧化氢和氧气反应的电催化活性，可能被用于开发生物医学应用，例如高度敏感的生物传感器和药物传递。图3：一种化学液晶生物医学传感器SPR是一种用于监测在非常接近传感器表面（金）的生物分子发生相互作用的表面敏感的光学技术。SPR有着广泛的应用领域，例如分子工程、食品分析、临床诊断、蛋白质体学、环境监测、细菌学、病毒学、细胞生物学、药物传递、冲突检测等等。一个光纤SPR系统可以以实时的方式检测附着在光纤尖端的活细胞的反应。SPR已经能够实现对血型的高精度检测。其他的生物医学设备像环形光电二极管
16、装在印刷电路板用来测量脉搏血氧和光量传感器使用微型发光二极管用来测量脑血流量都很新颖和有用。有时，检测的意图可能更有想象力。汗水成分的改变可以提供一个人的健康和生理状况的信息。呼吸丙酮的检测和分析可以用来确定血糖的水平并且控制能转化为酮的物质的摄入量。在活体中足够精确的实时NO监测是十分重要的，特别是针对病理生理条件下，例如局部缺血。3.3 无线传感器网络无线传感器网络（WSN）一定是生物医学传感器一个主要发展趋势。事实上，无线传感已经被成功的应用于各种各样的应用中，包括环境监测，结构监测，监视和应用于临床环境特别是患者或者慢性病人，例如高血压、糖尿病、睡眠呼吸中止症。从那时到现在，越来越多的人开始研究或者构筑这种网络来提高人类的健康护理和帮助他们的生活。无线传感网络含有低功率嵌入式运算器，被称为微粒，它使用传感器（这里是生物医学传感器）从物
