传感器在医学领域的发展应用

俞冰 张晓霞 张宇雪 王列震 陈鑫 林晓雷 温州医科大学眼视光学院、生物医学工程学院 （浙江 温州 325000）

◎ 综述

传感器在医学领域的发展应用

俞冰 张晓霞 张宇雪 王列震 陈鑫 林晓雷 温州医科大学眼视光学院、生物医学工程学院 （浙江 温州 325000）

随着科学技术的不断提高，传感器技术不断获得突破性进展，关于人类医学领域的传感器应用也得到了空前的进步。本文就国内外对于高血压、心脏病、糖尿病及癌症等疾病的传感器新发展做了探析。

传感器 医学疾病 发展应用

19世纪以前，天花、霍乱、鼠疫、白喉等由病原菌引起的传染病引起人们的恐慌；20世纪中期，贫血、胃溃疡、生长缓慢等慢性疾病严重威胁人类生命；20世纪末至21世纪，高血压、心脏病、糖尿病、结石病、癌症、艾滋病等现代文明病尚未找到最佳治愈方式。人类与疾病的斗争从未停止。医用传感器是应用于生物医学工程领域的传感器，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医学器材。随着生物医学工程学科的发展，传感器成为了各种医疗手段必不可少的核心技术之一。本文围绕医用传感器在一些特定疾病治疗中的发展与应用做一综述。

1.医用传感器的发展

传感器的发展过程大致分为三个阶段。第一阶段是结构型传感器。这种类型的传感器是以结构为基础，将生物信号转化为某些物理量的改变（例如长度、形状等），再将其转化为可进行处理分析的电信号。例如电容式压力传感器，它是根据电容间隙的变化导致电容值的变化，从而实现对压力的测量。再例如电阻应变式传感器，它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来实现对压力的测量的。第二阶段主要以固体传感器为代表，在70逐渐发展起来。这种传感器由半导体电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的。第三阶段是80年代刚刚发展起来的智能传感器，它具有信息处理的功能并且自带微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。与一般传感器相比，智能传感器具有自己独特的优势，例如：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化等。90年代智能化测量技术有了进一步的提高，在传感器一级水平实现智能化，使其具有自诊断功能记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等[1]。近年来，传感器正由传统型向新型传感器转型。微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化是新型传感器的特点，它有利于改造传统产业，并可引导建立新型工业。

2.传感器在医学疾病中的应用

2.1 传感器在高血压测量监护的应用

血压测量常分为有创和无创两大类。①有创血压测量临床上主要采用导管术的方法。先通过穿刺，将导管置于被测部位的血管内，血管内的压力通过导管内的液体传递到外部的压力传感器上，传感器的一端接检测仪，另一端连接自动冲洗装置，然后通过特定的计算方法，就可以将动脉压力值显示在检测仪上[2]。②无创血压测量的方法有很多，最主要的一种方法是通过外部加压阻断动脉，对脉搏的变化或血流的变化进行分析处理获得血压值，其中可分为柯氏音法、超声法、测振法等。

近年来穿戴式血压测量仪器层出不穷。Ferreira Marques FA等研究设计的穿戴式心电血压监测系统，可以连续记录人体的血压和心电。

2.2 传感器在心脏病监测的应用

对心电信号的检测已成为长时间家庭监护中应对老龄化社会医疗方式转变的重要问题[3]。现今新基于容性耦合原理所完成的电容式非接触心电传感器的设计，降低了运动伪迹的影响，完成了噪声屏蔽，优化了滤波结构[4]。心脏生理功能人体心电的关系密切，心电图波形可以将丰富的心脏及其神经系统活动信息表示出来，在心脏疾病的治疗、诊断和预防等方面起着广泛的应用。心电诊断方法是心血管疾病诊断中一种十分重要的方法，对心房、心室肥大，辅助诊断心肌梗死、心肌炎等疾病均有很高的价值。

2.3 传感器在糖尿病治疗中的应用

目前较广泛使用的植入血糖检测仪都属于微创，即将细针状传感器探头直接刺入皮下，基座和数据部分固定在皮肤上。经过数十年的研究，在血糖仪的探索获得了一定的结果[5]。可以通过无创伤或极微小的创伤直接检测体液中的微量葡萄糖；利用光谱法对血糖进行测量分析；利用能量代谢守恒法测量血压。这些测量方法都应用了传感器，这才使技术造福人类[6]。

2.4 传感器在癌症研究的应用

肿瘤标志物一般是由胚胎组织正常产生，或者由肿瘤组织直接产生。由于肿瘤标志物与癌症之间的特异性很差，因此单一肿瘤标志物免疫传感器通常限制其诊断价值，构建一种多种肿瘤标志物免疫传感器（多靶标免疫传感器）非常必要[7]。Wilson等[8]首次构建了一种能通过电化学酶联竞争免疫分析来实现同时检测的阵列免疫传感器。现今最新进展有电流型多靶标免疫传感器的常用模式是“三明治夹心”型，即在检测电流也随之增大。电流型多靶标免疫传感器成功实现，需要同时获得两种或以上可显著区分的电流信号，将不同的电活性物质标记于不同的抗体上通过免疫反应得到相应的检测信号。此外，石墨烯复合物用于肿瘤标志物多靶标电化学免疫检测法也表现出良好的稳定性和灵敏度[9]。

3.小结与展望

传感器正不断地影响着人们的生活，这是人类的力量，也是医学技术发展的魅力，科研工作者通过不断地探索和研究，正在攻克一个又一个的疾病难题，相信在未来的发展之中，传感器的研究会有更大的创新与突破，进而广泛地应用在各个领域之中，为人类自身的生活做出更大的贡献。

[1] 高存贞.国外传感器技术的发展概况及趋势[J].微电子学与计算机,1991,8(12):48-51.

[2] 余立君,黄振,王兢业,等.有创血压测量技术的研究进展[J].中国医疗设备,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] 黄絮,李勇,陈思平,等.无创及微创血糖仪研究进展[J].中国生物医学工程报,2016,35(5):598-604.

[7] 陈夏.电流型免疫传感器同时检测多种肿瘤标志物研究进展[J].广东化工,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] 贾新乐.石墨烯复合物用于肿瘤标志物多靶标电化学免疫检测[A].中国化学会第十四届胶体与界面化学会议论文摘要集-第6分会:胶体与界面化学技术、应用与产品[C].中国化学会,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

浙江省大学生科技创新活动（新苗人才计划），AD（阿兹海默症）患者感应定位报警器创新设计（项目编号：2016R413038）。