关键词: 宫颈癌 筛查
一 引言
有效的诊断和治疗依赖于对生理参数的检测。在一般情况下，通过精确测量病人的各种生理指标如脉搏、呼吸、血氧和葡萄糖水平等，可以帮医生作出对疾病和病情进展的诊断。在治疗中，测量参数用来监测病人病情，或者给实习医生以帮助指示；治疗后，评估各项生理指标可以判断疗效。在生理指标的检测中，传感器则起着举足轻重的作用。
传感器的基本功能均相同，即把一种可测量的量如温度转化为等值量化的数值，这些数值多是电信号。尽管基本功能相同，但是实现测量功能的技术形式却迥异。
传感器技术的发展十分迅猛。早在19世纪早期，便出现了测量和记录生物电活动的传感器。其中包括，1875年初发明脑电图仪，和20世纪初出现的早期心电图仪。随着电子技术的进步，如创新的电路设计、真空管和晶体管的发明以及更高效能源的出现，传感器的灵敏性和复杂度也逐渐增加。
随着微电路和纳米技术的出现，以及材料的不断改进和设计的不断创新，传感器技术更以前所未有的速度向前发展。例如，运用微纤维技术能制造出外形精细、可高效复制的结构体和材料表面，降低了单个产品的差异性。
传感技术的飞速前行将在众多医学和健康领域产生重大影响，传感器的设计创新正改变着医疗卫生的诸多方面，如外科手术导航、诊断能力的增强和保证疗效等。
二 传感器的分类
生物医学所用的传感器类型广泛，但通常依据其自然属性可分为物理型和化学型。
物理型传感器检测病人的物理反应，如温度、血压和肌肉活动等。除了常用的光电传感器属于此类型外，物理型传感器还包括几何类、机械类、热量类和水压类。检测电活动的传感器通常包含电极，这类传感器既用在诊断也用于治疗。光学传感器用光采集生理数据，它是某些新技术的重要组成，如实验室芯片(Lab-on-Chip)仪器。
化学型传感器检测的则是特殊的化学成分，经常在诊断和治疗中用来检测人体内的特殊化学物质。这类传感器包括气体和电化学传感器，用来监测化学成分的光度传感器也归于此类。生物分析传感器通常认为是化学型传感器，但在一些领域也常自成一派。
根据传感器和病人的接触方式，传感器还可分为如下几种：(1)无接触型或无创型，该类型是病人和仪器的相互影响最小的；(2)皮肤接触型，该类的病人—传感器接触非常小；(3)留置型或微创型；(4)植入型，该类要求有创地放置传感器。
传感器和病人接触的类型决定传感器的设计和材料选择。 无接触型和皮肤接触型所受限制最少，潜在风险也最小。留置型和植入型则必须考虑排斥反应以及反应对传感器功能的影响等问题。此外，正常的生物功能可能影响传感器的活性，产生的环境会降低传感器性能。传感器系统的设计和材料选择必须考虑到以上因素。传感器系统自身的设计也是一个重要的挑战。因为，系统必须在传感器部件和活跃的人体环境间建立和维持一个有效的屏障；还要使传感部件和相关的生物系统保持不失准地接触。目前，多数传感器技术研究集中在保证功能充分发挥和增强耐受力方面，同时又要不增加传感器的体积。
三 未来技术展望
外科手术中使用传感器监测病人由来已久。手术中，传感器可持续监测病人的通气指数、血气、脉搏和血压等。近来，传感器技术应用引导功能提高了外科医生的能力，它在微创外科和机器人辅助手术中尤其有着广阔前景。已有的产品例如：美国国家能源部Sandia国家实验室的研究者发明了名为“智能刀(Smart Scalpel)”的传感器机械装置来协助外科医生切除癌组织；集成了全套外科器械的主输入臂，能帮助医生指挥机器人运动的传感器，以及可以控制手术中病人体温的传感器等。
以全新视角来思考问题，常会引发技术革命性的突破。Ball Semicon-ductor公司的研究者以全新视角发明了一种全新的电路概念，这种电路有望重塑传感器技术的未来。该公司研究人员设计开发的球形电路将对医用传感器的发展产生重大影响。这种直径1.0mm的球体比相同大小的普通平板芯片可用表面积增大了三倍多，并且它的体积将可能最终减小到20mm。
这种球形芯片的表面电路可以产生自感应。自感应线圈能作为天线，为植入的传感器在人体和周边设备间建立无线通信。它令传感器具备采集真实3D数据的能力。球体表面的传感器是多向的，比传统传感器产生的数据更为复杂。研究人员正努力尝试去除掉妨碍病人运动的各种线缆和管路。由于这种传感器成本不高，将可由病人吞咽下去，用3D传感能力来跟踪监测人体的各项重要生命体征。另外，此技术还可用于手术中跟踪计数手术器械和棉球纱布等物品，以免术后这些物品被遗留在病人体内。球形芯片还有些新应用，例如：放在导管或导丝顶端，用作无线电极或植入神经刺激装置等。
这种芯片的球形外观不仅优化了传感器的外形，还明显减小了传感器尺寸，激发出许多新应用。如，Integrated Sensing公司正研制一种直径仅0.25mm的压力传感器，体积小到可放在手术针眼里。而且，这类传感器小到足以放在大多数导管内，并因此将会有更多的应用方法。
1.代替器官的功能
结合以上新技术，以此类传感器为基础制造的装置将能替代某些器官的功能。例如，近年来，令糖尿病患者多次失望的是，总有消息显示人工胰腺的研发正逐步实施，但却尚无结果。而以下新项目的研究有望取得糖尿病中长期管理的长足进步。
a. 植入式葡萄糖检测仪
Sensors for Medicine and Science Inc.(SMSI)公司开发了一种新型微型芯片，芯片中集成的光学传感器可以检测多种分析物如氧气、二氧化碳、pH、葡萄糖、乳酸和麻醉气体等。
此传感器的原型是用一个微小的发光二极管作光源，用普通光电二极管测量光输出。这些零部件均价格便宜，极易取得。此产品的核心是对传感器激发源的创新，即发光二极管嵌入在分子荧光指示计内，这克服了许多技术难题，例如怎样用已有的元器件组成稳定、灵敏且物美价廉的传感器等。
SMSI传感器部件体积小、价格便宜等特点有利于开发新的应用，如植入式微型传感器等。传统的血糖仪通常要点刺皮肤采集血样。而SMSI研发的这种传感器小到可以植入皮肤脂肪层下，来测量血糖水平。由于糖类会降低化学荧光物所释放的光强，当葡萄糖水平越高，检测到的光强就越小。SMSI的传感器通过检测光强减小的程度测得葡萄糖含量，测量结果通过射频发射给体外接收装置。目前，该公司仍在研发更理想的化学荧光物质，不过芯片设计业已完成。设计好的原型样机用一个22mW的发光二极管(即通常用于制造个人电脑上的指示灯那种)作光源，荧光检测处理不需消耗化学物质或蛋白质，可谓是一种“自给自足”的装置，这种植入式传感器将有望推动和满足糖尿病人对病情进行有效监测和管理的需求。
b. 人工胰腺
生产和制造胰岛素和注射器的Disetronic公司正在开发一种胰岛素传输系统，系统同时兼具血糖检测功能。该公司ADICOL项目的目标是开发一种能够自动进行剂量精确的日常胰岛素管理的人工胰腺。ADICOL系统包括一个植入皮下的持续监测血糖水平的葡萄糖传感器，和一个外部胰岛素泵。当血糖聚集水平超出或低于传感器所设阈值，系统就会报警。传感器通过软件控制胰岛素泵来保持精确的胰岛素剂量。目前该项技术正在美国和德国不同的研究机构中进行合作研发。
2. 诊断和监测用传感器
新型传感技术还提升了生物分析的价值，提高了疾病诊断和监测水平。这些更小、更易用的新型装置不仅拓宽了诊断范围，还为特殊病情的监测提供了更有效的方法。
Sicel公司开发的基于传感器的监测技术可用于评估癌症的治疗疗效。它的原型样机是将传感器植入肿瘤中，借助微型发射和接收器，传感器获取肿瘤对化疗或放疗的反应数据反馈给医生，减少了肿瘤科医生评估治疗计划效果的主观性。
当前，肿瘤科医生多是通过活检或影像学检查来制定肿瘤治疗计划。但病理组织的活检采样和影像学资料仅能简单地反映肿瘤情况，治疗效果则主要依靠主观臆测。Sicel公司开发的第一个这类传感器是一个6平方英尺的电路板，但如今已改进到仅有1cm长2mm宽，能放在一个标准的穿刺针里。目前，利用癌症药物中的放射活性标记物能帮助传感器检测药物疗效的特点，此类传感器主要监测肿瘤的温度和放射性；最终将是可以评估化疗的其它指标。第一个传感器仍需要患者亲自到诊所，穿戴一个作为接收和发射装置的外套来检测，但将来可能实现患者在家中通过电脑即可连续无线监测。
还有些传感器的改进增加了检测灵活性。例如，Sycopel公司的微型透析生物传感器，整合了体内微型透析和电流电压计于一体。传统的微型透析探针为间隔采样，而这种微型透析系统则能进行实时体内测量分析，简化了分析测试过程。
Sycopel公司的微型透析生物传感器将一根钛丝放在中空的半透膜中，两个玻璃硅管用于探针内的溶液交换，这使得装置具备了控制工作电极微环境的能力。当酶或者其它生物活性分子一旦失去活性或者该传感器的特异性被另一种酶所改变时即会被替代。两个附加电极—银或钛负极和一个银/氯化银参照物—组成一个电化学电池。该电池放在玻璃或者钢制的外壳里，远离主要传感区，顶部和接缝处由环氧封装。不锈钢记录电极平行粘附于膜上，记录局域潜在的电生理运动，如定位生物传感器和记录其发生的运动等。
相较于传统分析方法，此微型透析生物传感器有多种优点，尤其是其中的“内垂直系统”可在同一个组织区域同时进行测量分析和控制而无需移动；另外，添加不同种的酶即可改变生物传感器的特异性从而用于不同分析物的比较比，例如比较葡萄糖和乳酸的聚集即可在短期内采用同一个电极。通过学习和记忆，生物传感器还能检测到微小的生理变化，抑或用于药物评估和人体甘油三酯的床边监测等。
四 结论
微阵列和微型化技术的发展决定着未来传感器技术的发展，而智能化设备的发展赖于传感器技术的进步。今后，学者和工程技术人员们需要以全新视角去设计和制造传感器，并且仍有以下问题值得思考：
多探测传感器未来将在生物医学领域的应用中扮演重要角色，例如，如何用仅约80mL的血样标本来检测8个生理参数是许多制造商正在研发的。多种探测传感器集成在同一个小模块中的情形将会更多。
伴随计算机软硬件技术的发展，传感器技术亦将随之发展，闭环控制的生物系统将成为可能。基于传感器的仪器在家庭护理和即时诊断领域的需求将迅猛增长，但要求是性能可靠、坚固耐用并且结构简单。而因为硅不是生物兼容性材料，所以必须研发非硅和非传统材料，并调整基于硅材料的各种研究的发展走向。
未来的挑战是，一方面必须把传感器置于不太友好的生物环境下；另一方面，要保护传感器的整体性就须尽量多地覆盖住传感器，因此必须开发既有生物兼容性又可用于覆盖的生物材料。
（全文完）
来源：《世界医疗器械》
