医疗传感器前沿应用

随着人口数量的不断增长、人口老龄化的加重，人们需要大量的现代医学奇迹。为了保持这种势头，越来越多的人开始寻求医疗帮助，这就需要在减少手工劳动者和人为失误的同时提高医疗器械的可靠性和自动化处理。
为了使智能器械达到安全可靠、自动化处理的目标，应该配备传感器。传感器已被广泛用于外科手术设备、加护病房、医院疗养和家庭护理中。已经有很多可与医疗器械结合使用的传感器在市面上出售。 
在医疗设备制造商和传感器专家的携手合作下，更多尖端的科学技术将会被创造出来。如果很好地理解了需控制的用途和参数，那么选择一个传感器就变得很简单。
最复杂的传感器是植入式传感器，其次是用于导管中的传感器（通过切割的方法）、用于身体空腔中的传感器、用于身体外部但是却和体液相接触的传感器，以及外用传感器。在本文中，我将介绍应用于上述所有用途的传感器的详细说明，并给出一些当前正在使用的设备范例。

植入式传感器 
植入式传感器应当体积小，重量轻，并且和身体兼容，同时还要求其功率非常小。更重要的是，它们不能随着时间的推移而衰变。
由于这类传感器属于第Ⅲ类医疗器械，因此需要有食品及药物管理局（FDA）的批准才能使用。一般来讲，这类传感器价格非常昂贵，而且需要专家做外科手术进行移植。
对功率的要求是植入式传感器正常工作所面临的主要挑战之一。不需要功率就能发挥作用的传感器是最完美的，可是市场尚没有这种传感器出售。压电聚合传感器体积小，可靠性高，不需要外部动力而且能长时间持续工作。这类传感器可应用于监视病人活动的心脏起搏器。
压电式传感器是一个很小的悬臂，悬臂的重量集中于一端且随着人体的运动而跳动。每当病人运动时，传感器就会产生一个信号。心脏起搏器接收到这些信号，然后使心脏也相应的博动。如果病人在休息，信号为零，则心脏起搏器会使心脏以正常频率博动，例如大约70次/分钟。传感器能区分出各种活动，例如走路、跑步、或是其他身体活动。传感器的输出和运动量成正比。图1和图2所示的即为一个被嵌入在一个心脏起搏器中的小型化压电薄膜振动传感器，该传感器的长度为15/100英寸。
利用外部能源给已植入的传感器提供动力，还有其他的方法。假如人体某部位已被植入一个特别设计的传感器，那么当将一个射频能量束靠近该部位时，该传感器即被激活，开始工作，并通过射频链路将所得数据发回给探测器，然后再重新进入睡眠状态。使用一个带有天线的传感器和一个异频雷达收发机来完成这项功能。
举个例子，由于腹部长了一个大动脉瘤，要求切除一部分脆弱的动脉，用人工合成的管状器官来替代。这时，可以在手术的过程中植入一个传感器，用来监视手术部位的压力泄漏。


“临时性”插入传感器 
这类传感器要求能够通过切口插入体内（典型的方式是通过导管插入）。和植入式传感器相比，这种传感器的危险性不高。
这种传感器的应用也很敏感，同样需要食品及药物管理局的批准才能使用。根据外科手术的不同，这些传感器可能会发挥几分钟到几个小时的功效。在理想情况下，这些传感器不需要外部动力进行驱动，但是如果必要的话，也可以通过外部途径进行驱动。
可以将一对匹配的热敏电阻连接到导管的顶端。通过测量血液的流速，热敏电阻可以将导管引入心脏的不同位置。可以利用线圈对它们进行加热，或者用冷盐水冲洗的方式来测量血液流速。当用冷盐水冲洗时，第一个传感器测得的温度要比第二个传感器低，这是因为当盐水到达第二个传感器时，盐水已经被流动的血液加热了。由于两个温度传感器的间隔距离是已知的，而且盐水的温度和量是可控的，因此可以通过读取两个传感器的输出数据差来计算血液流速。当用冷盐水时，这些热敏电阻不需要外部的动力。图3所示的即为这一类型的传感器。
导管消融传感器是另一种用切割方式“临时性”插入的传感器，可利用它进行特殊的治疗或是在治疗过程中采取某种紧急措施。消融术是一个通过有选择地杀死某个组织来生成新疤痕组织的过程，这样做的目的是要在心脏内设置不同的路线发送神经脉冲，进而医治心率失常的疾病。射频能量经常被用于消融过程。实施消融术的关键是要注意导管头对目标组织所施加的力不能超过事先设定的值，以避免刺穿目标组织。微熔术传感器技术是利用一个空间受力感应系统从三维空间同时测量组织接触时的受力情况。
硅微机械压力传感器可用于宫缩压力传感器，来测量分娩期内的子宫收缩压力和收缩频率（见右图）。这种方法要比常规的束腹带方法要更加可靠，且可在危急情况下使用。硅微机械压力传感器的另外一个特性是可以嵌入羊膜液注入和提取传感器中。这些传感器通过子宫插入，然后置于羊膜袋中。 当小孩即将出生时再把传感器取出来。这些传感器都是一次性传感器。
用于测量体温的口腔/直肠探针被设计成体积、外表粗糙。这些传感器的表层用松软的涂料覆盖，用来保护器官的内层不受到意外伤害。
 

和体液相接触的外用传感器 

有几类一次性传感器是附在体外使用的，但是它们却是和体液相接触的。比如一次性血压传感器（DSP），（见 图5）。
这类传感器用于外科手术和
重症监护，以便持续地监控病人的血压情况。这是在给病人进行静脉输液（IV）的同时测量其血压的最理想方式。这类传感器需要每24个小时更换一次，以保证传感器的清洁卫生。这类传感器被连到一个监控器上，以便记录下所有的信息。
还有其它几类与药物或是体液相接触的传感器。其中一类用于气囊膨胀压力监控。在这个应用中，压力传感器需要承受超过30bar的压力，并监控气囊的充气压力。压力过大的话会将气囊充爆。由于传感器与药物和体液接触，因此需要用一个硅凝胶屏障将传感器的其余部分隔开。

设备和外用传感器
在中药和体液都不和传感器相接触的情况下，可将外用传感器应用于医疗设备。在大多数情况下，这类传感器都不是一次性的。医院或是家庭护理均可使用这类传感器。下面列举几个此类传感器： 
· 注射泵中用于检测脉管梗塞（导管堵塞）的测压元件（见图6）
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· 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温度传感器（见图7）
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· 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。