医用传感器的用途、分类和发展
陈安宇
教授，医学硕士，首都医科大学生物医学工程学院，中华医学会医学工程分会副主任委员兼秘书长，卫生部临床医学工程技术专家库专家。
关键词：医用传感器分类 医用传感器用途 医用传感器发展
一 传感器的定义和组成
按照我国国家标准“传感器通用术语”中对传感器的定义是：能感受或响应规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件所组成。由于电学量(如电压、电流等)容易进行后续处理，一般情况下传感器是将非电量转换成电学量，传感器的典型结构如图1所示。
医用传感器(Medical Sensors)则是能够感知多数为非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。作为拾取生命体征信息的“感官”，医用传感器延伸了医生的感觉器官，把定性的感觉扩展为定量的检测，是医用仪器、设备的关键器件。
二 医用传感器的用途和分类
1. 医用传感器的用途
医学领域有很多反映生命体征的量，常见的各种量如表1所示。
反映生命的信息绝大多数属于非电量，对于非电量的放大和处理是很困难的。医用传感器是把非电量转换成电量的器件。表1中所列的生物电本身就是电量，但在生物体内处于离子导电的状态，需要采用医用电极将离子导电转换成导体内的电子导电，然后才能进行放大和处理，所以医用电极也可以被看作是一种特殊的医用传感器。
医用传感器的主要用途有：
(1)提供信息：如心音、血压、脉搏、体温、血流等，作为重要的生理参数供临床诊断和基础研究用。
(2)监护：长时间连续检测某些生理参数，监视其是否超出正常范围，以便随时掌握患者的状况，出现异常及时报警。
(3)生化检验：利用传感器的分子识别能力，检测各种体液、溶液中的成分和含量。
(4)自动控制：根据传感器提供的生理信息，调节执行机构做出反应，实现自动控制。例如：注射泵根据流量传感器的信息调节推进量，实现单位时间注射量的自动控制。
(5)参与治疗：医用电极经常既用于检测信号，又用于实施治疗。例如：按需型体内起搏器的电极既作为自主心电的检测电极，又作为无自主心电时起搏器发放脉冲的刺激电极，此时所起的就是治疗作用。
2. 医用传感器的分类
医用传感器的种类很多，目前尚无统一的分类方法，可以根据传感器的工作原理、被测量的种类以及与人体感官相对应的传感器的功能等进行分类。
a. 按工作原理分类
(1)物理传感器：利用物理性质和物理效应制成的传感器。属于这种类型的传感器最多，例如：金属电阻应变式传感器、半导体压阻式传感器、压电式传感器、光电式传感器等。
(2)化学传感器：利用化学性质和化学效应制成的传感器。这种传感器一般是通过离子选择性敏感膜将某些化学成分、含量、浓度等非电量转换成与之有对应关系的电学量。例如：不同种类的离子敏感电极、离子敏场效应管、湿度传感器等。
(3)生物传感器：采用具有生物活性物质作为分子识别系统的传感器。这种传感器一般是利用酶催化某种生化反应或者通过某种特异性的结合，检测大分子有机物质的种类及含量，是近半个世纪发展起来的新型传感器。例如：酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、DNA传感器等。
b. 按被测量的种类分类
这是根据被测量的种类对传感器进行分类的方法。如表1所示，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、热电耦、PN结温度传感器等所有能够检测温度的传感器。
c. 按与人体感官相对应的传感器的功能分类
这是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它能够替代视觉功能的传感器；听觉传感器，包括各种拾音器、压电传感器、电容传感器以及其它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其它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。
除了上述列举的常见传感器分类方法外，还有根据传感器材料、传感器结构、能量转换方式等多种分类方法，都具有各自的优点和局限性。
三 医用传感器的特性和要求
医用传感器主要是用来检测人体生物信号的，针对生物信号特点应具备特殊的性能，才能够满足医用的要求。生物体是一个有机的整体，各个系统和器官都有各自的功能和特点，但又彼此依赖，相互制约。从体外或体内检测到的信号，既表现了被测系统和器官的特征，又含有其它系统和器官的影响，往往是多种物理量、化学量和生物量的综合。医用传感器的任务是从这些综合信息中提取欲测的信息，并把信息转换成电学量。例如：将心音传感器放在胸壁检测心音，胸壁上除了来自体内的心音外，还有呼吸时胸廓的运动、躯体活动产生的振动和外界的噪声干扰，这就对心音传感器提出了很高的要求。因此，医用传感器应具有以下特性：
(1)足够高的灵敏度，能够检测出微弱的生物信号。
(2)尽可能高的信噪比，以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。
(3)良好的精确性，以保证检测出的信息准确、可靠。
(4)足够快的响应速度，能够跟随生物体信息量的变化。
(5)良好的稳定性，保持长时间检测漂移很小，输出稳定。
(6)较好的互换性，调试、维修方便。
另外，医用传感器主要是用于人体的，与一般传感器相比，还必须提出以下特殊要求：
(1)与人体接触、特别是植入体内的传感器材料必须是无毒的，并且与生物体组织具有良好的相容性，长期接触不会引起排异、炎症等不良反应。
(2)传感器在进行检测时，不能影响或者尽可能少影响正常的生理活动，否则检测的信息将是不准确的。
(3)传感器应具有良好的电气安全性，特别是与体内接触的传感器应按照防止微电击的电气安全标准具有良好的绝缘性能。
(4)传感器在结构上和性能上要便于清洁和消毒，防止有害物质交叉感染。
四 医用传感器的发展
随着信息时代的到来，传感器技术已成为信息社会的重要技术基础。现代计算机技术和通信技术不仅对传感器的精确度、可靠性、响应速度、获取的信息量要求越来越高，而且希望体积小、重量轻、成本低、使用方便。很多国家投入巨资进行传感器尖端技术的研究，有力地推动了传感器的发展。近年来，针对临床医学的特点和临床应用的需求，医用传感器技术也发生了根本性的变革，已经彻底改变了传统医用传感器体积大、性能差的状况，形成了全新的现代的新型医用传感器技术，并向着崭新的方向快速发展。现代传感器技术的发展方向概括起来主要有：智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测五个方面。
1. 智能化传感器
智能传感器(Smart Sensor，Intelligent Sensor)最早出现在20世纪80年代，是计算机技术、微电子技术与传感器的结合。智能化传感器一般具有以下功能：
(1)能够根据检测到的信号进行判断和决策；
(2)可以根据软件控制执行相应的操作；
(3)具有输入、输出接口，能够与外部进行信息交流；
(4)具有自我检测、自我校正和自我保护功能。
智能化传感器结构框图如图2所示。
智能化传感器技术的应用提高了医学仪器设备的性能，主要体现在：
a. 自动数据处理
智能化传感器改变了传统的对参数的被动测量，成为主动测量。一方面可以根据已测得的参数求得未知参数，另一方面还可以根据计算进行判断，主动选择待测参数，并能实现自动调零、自动平衡、自动补偿、自动量程选择等功能。
b. 自我检测、诊断和报警功能
智能化传感器能够根据预先设定的算法对设备的工作状态是否正常进行检测，能够诊断故障根源并以故障代码的形式显示出来。目前大部分的现代医学仪器设备如CT机、血液透析机、超声仪、自动生化仪都具有自诊断功能，都是以智能化传感器技术为基础的。智能化传感器与显示器结合可选择显示或定时循环显示各个测量参量，通过与给定值的比较，很容易实现上、下限的报警功能。
c. 接口功能
智能化传感器技术采用标准数字化输出，很容易通过接口技术实现传感器与系统之间、传感器与网络之间的数据交换和共享，构成一个网络化的智能传感器系统。例如：通过智能传感器测定某糖尿病患者食物的成分，经网络传输到医院的信息中心，根据患者的具体情况进行分析，计算出该患者需要注射胰岛素的准确剂量，再通过网络控制该患者的胰岛素注射泵，完成自动按需给药。
2. 微型化传感器
现代传感器正在从传统的结构设计和生产工艺向微型化转变，微型化传感器(Micro-Sensor)是由微机械加工技术制作而成的，包括光刻、腐蚀等微加工工艺，敏感元件的体积可以小到微米级。
微型化传感器可以进入常规传感器不能达到的部位，深入脏器、病灶的内部，获取常规传感器不能获取的信息。另外，由于微型化传感器的体积很小，极大地减小了对正常生理活动的妨碍和影响，使检测值更加真实、可靠。
3. 多参数传感器
在临床医学领域，往往需要同时检测多种生理参数，需要同时使用多种传感器。多参数传感器(Multi-Parameter Sensor)是一种体积小而多种功能兼备的探测系统，用单独一个传感器系统同时测量多种参数，实现多种传感器的功能。多参数传感器将若干种不同的敏感元件集成在一块芯片上，工作条件完全相同，易对系统误差进行补偿和校正，与采用多个传感器相比，检测精度高，稳定性好，体积小，重量轻，成本低。正在研制的仿生传感器“电子鼻”就是一种能够识别多种气体成分的多参数传感器。
4. 遥控传感器
在临床医学领域，很多情况下需要在患者体内植入或让患者吞服一些检测体内某些参数的传感器或定时释放药物的装置，对于这种传感器或装置需要在体外进行遥控。遥控传感器(Remote-Control Sensor)就是将遥控技术与传感器技术相结合形成的一种新型传感器。例如：吞服“电子药丸”微型遥控传感器检测胃液的pH值、胃内压力、消化液成分等参数，并将检测结果通过微型无线发射装置传送到体外的接受器。
5. 无创检测传感器
随着人们生活水平的提高，人们的健康意识也在不断增强，已经不仅仅满足于治疗疾病，对于预防疾病和摆脱亚健康状态提出了更多的要求。另外，随着社会的老龄化，社区医疗，自我保健将越来越重要。这些变化都要求能够经常地、方便地检测生理参数，并且检测操作简便，易于接受，在社区甚至家庭就可以完成。于是，无创检测就成为传感器研究的一个重要方向。无创检测就是在检测的全过程中没有任何创伤或者几乎没有创伤。无创检测不仅使受试者能够乐于接受，而且对机体状态影响小，检测可靠，此外还具有操作简单，消毒容易，不易发生感染等优点。
无创检测传感器(Noninvasive Detecting Sensor)应具有更高的灵敏度和精确性，具有更高的抗干扰性能和信噪比。例如采用指夹式光电容积血流脉搏波传感器固定在人体指尖进行检测，可以定量检测出人体每搏心输出量、外周阻力、血管弹性、血液粘度等血流参数，但精确度尚有待提高。
医用传感器的发展已经基本改变了传统的模式，形成了智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测等全新的发展方向，并取得了一系列的技术突破。其它新型传感器如DNA传感器、光纤传感器、生物组织传感器等也正方兴未艾，层出不穷。医用传感器技术的革新必将推动现代医学的更快发展。
（全文完）
来源：《世界医疗器械》
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