感測器在醫學領域的分類及應用
感測器在醫學領域上的運用是什麼呢?是怎麼分類的?以下是小編分享了，來了解一下吧。
計算機技術、數字訊號處理技術以及電子技術近年來發展迅速，相關的領域也因此得到了推進，醫學領域的發展更加顯著。可以看到，在醫學科技領域中出現了越來越多的高科技電子產品，例如自動生化分析儀、全身伽馬刀治療系統以及多層螺旋 CT 和MRI 等，感測器在醫學領域中的應用同樣非常廣泛，感測器能夠發揮感受生命體徵資訊的重要作用，對推動現代醫學發展有重要意義“，八五”重點科技攻關專案之一就是感測器，因此研究感測器是發展當代醫學的必由之路。
1 感測器的組成與分類
感測器通常由兩個部分組成，即轉換元件和敏感元件。其中敏感元件就是能夠直接響應或者感受被測量的部分，而轉換元件就是將測量到的訊號轉化為電訊號的那部分。按照現在普遍使用的分類方法，可以將感測器分為兩類，其中諸如生物感測器、物理感測器和化學感測器等屬於一類，這幾種都是將輸入訊號轉換為電訊號 ;而力矩感測器、速度感測器、流量感測器、氣敏感測器和粘度感測器等，這幾種是按照輸出量分類的。上述都是都是較為普及並應用廣泛的感測器，在未來有廣闊的發展前景。
在過去，醫生收集病人資訊的方式比較簡單，基本上都是“望聞問切”以及簡單的檢查。我國在上世紀六十年代建立了醫學工程，多種高科技醫療裝置被開發出來，大大豐富了醫生收集病人資訊的方式，也提高了診療和治療的整體水平。在醫學領域，感測器起到的是“耳目”的作用，感測器種類繁多，用處不一，按照診療目的可以分為預防感測器、檢查感測器等，按照取樣方式不同則可以分為體外感測器和體內感測器，按照檢查目的的不同又可以分為形態學感測器、生理功能感測器和臨川化學感測器等。目的不同，用途不同，分類方法也不盡相同。
2 生物感測器的應用
在醫學中有多種檢驗方法，一般的方法是在實驗室檢驗，但是這種檢驗方法過程繁瑣，花費時間較長，逐漸無法滿足現代臨床醫學的需求，生物感測器的出現大大改觀了這種現象。生物感測器是化學感測器的一種，核心部分是以諸如細胞、微生物、組織等的生物活性單元為基礎的敏感基元，感測器捕捉到基元和目標之間的反應並將其用電訊號輸出，由於生物感測器具有操作簡單、花費時間較少等優點，在醫學領域被廣泛關注。
2.1 原理和結構
感測器中包含抗體、抗原、蛋白質、DNA 或者酶等生物活性材料，待測物質進入感測器後，分子識別然後發生生物反應併產生資訊，資訊被化學換能器或者物理換能器轉化為聲、光、電等訊號，儀器將訊號輸出，我們就能夠得到待測物質的濃度。感測器的主要組成部分是感受器和換能器，再將訊號通過自動化儀表技術和微電子技術處理，就能構成各種儀器或者系統。
2.2 分類和特點
按照換能器種類分類，可以分為聲波感測器、半導體感測器、熱感測器、阻抗感測器等 ;按照分子識別元件種類分類，可以分為免疫感測器、細胞感測器和組織感測器等。
傳統醫學檢驗大多是酶分析法，這種方法步驟繁瑣，費用較高，而採用生物感測器的方法，雖然試劑價格昂貴但是可以多次使用;生物感測器有很強的轉移性，即只對特定的底物發生反應，不論其濁度和顏色如何 ;再者分析速度較快，一般一分鐘就能得到結果 ;誤差能夠控制在 1% 以內，準確度可以保證 ;相對於酶分析法操作更加簡便，可以進行自動化分析 ;生物感測器檢驗效率更高。上述都是生物感測 器的優點。
2.3 醫學領域中的運用
生物感測器有很多種，下面針對其中幾種感測器在醫學領域中的運用展開分析。
2.3.1 微生物感測器
微生物感測器的感受器是含有微生物的膜，工作原理是微生物會消耗待測溶液中的溶解氧，放出熱量或者光，達到定量檢測待測物質的目的。相對於酶感測器，微生物感測器使用穩定並且成本更低，但是使用範圍不及酶感測器，資料顯示，微生物感測器能夠檢測的物質約為 60 種到 70 種。微生物會受到待測物質的毒害影響，這是影響感測器準確度和壽命的主要因素，解決了這個問題，微生物感測器市場化指日可待。
2.3.2 酶感測器
這種感測器的敏感元件是固定化酶，使用酶感測器就不需要花費大量精力去提取酶。臨床上測定尿素、葡萄糖、乳酸、天門冬醯胺等生化指標可以採用酶感測器，例如現在的葡萄糖酶感測器已經發展到了第四代，應用範圍廣泛，並且國際上乳酸酶感測器技術已經相當成熟。臨床上要檢驗患者腎功能就要進行腎功能診斷，然後針對性的實施人工透析，這種情況下就要使用尿素感測器。酶感測器研究時間和發展時間都較長，市場上的酶感測器已經達到了超過 200 種。
2.3.3 基因感測器
基因感測器是近年來才出現的一種感測器，但是技術先進，國內外也有很多專家學者針對基因感測器進行研究，現在已經成為研究熱點之一。基因感測器的基礎是雜交高特異性，一般基因感測器上有 30 個左右的核苷酸單鏈核酸分子，通過和靶序列雜交測定目標核酸分子。現在研究和使用較多的基因感測器是 DNA感測器，主要用於結核桿菌、艾滋病毒和乙肝炎病毒等的檢測，從而達到診斷疾病的目的。
3 光纖感測器的應用
傳播光並不是光纖的唯一用途，還可以用來交換資訊。光纖可以將各種引數和待測量結合起來，得到被測訊號的狀態，將其轉換為光訊號輸出。相對於傳統感測器，光纖感測器反應速度更快、靈敏度高，在使用過程中不會產生電磁干擾，光纖密度小、保密性佳並且便於儲存，因此光纖感測器在很多領域都有應用。
3.1 原理和分類
基本原理就是光經過光纖進入調製區，然後和被測引數發生作用，被測引數會使光的頻率、強度和相位等發生變化，變化後的光經過光纖通過調製器輸出被測物理量。按照感測原理，光纖感測器可以分為兩類，即感測型感測器和傳光型感測器 ;按照測量物件可以分為流量感測器、位置感測器、溫度感測器、影象感測器等，醫學領域現今應用較多的是傳光型感測器。
光纖感測器的工作原理
3.2 傳光感測器的應用
傳光感測器有很多優點，例如絕緣、體積小、不受微波和射頻干擾等，在法國、日本、美國等國家都有大量應用。
3.2.1 測量pH值
採用光感測器測量 pH 值的原理，是利用透射光和發射光的強度隨波長分佈光哭進行測定的，在纖維素膜盒中插入兩條光纖，然後將針頭插入血管或者組織中，試劑會和體液混合，吸收特定波長的光，然後使用分析儀將測量這種變化，分析後即可得到組織或者血液的 pH 值。
測定 pH 值
3.2.2 測量溫度
現在國內外普遍採用微波加熱療法治療癌症，但是加熱的溫度難以控制，如果溫度太低，癌細胞可能殺不死，而如果溫度太高，正常細胞會被一起殺死，對人體有不良影響，適宜的溫度為42.5℃到 45℃，因此需要採取措施監測加熱溫度，我們可以使用光感測器達到這個目的，已經開發出的一種就是使用鉭酸鋰晶體制作的，由於晶體的雙折射特性因而對溫度非常敏感，雖然目前用於測量溫度的光纖感測器仍然處於研究階段，但是需求量較大。
3.2.3 傳輸影象
原理是將多根光纖組成光纖束達到影象傳輸的效果，將其應用於內窺鏡上能夠極大的增加內窺鏡應用範圍，這種內窺鏡具有自由度大、柔軟、直徑小的優點，因此在使用過程中病人基本不會感受到痛苦，光內窺鏡還可以用於息肉切除等正常的醫學領域。
4 溫度感測器的應用
溫度指標在醫學中非常重要，醫生可以依靠各個部位的溫度來診斷疾病，例如在診斷休克病人時就需要獲取其體表溫度，而一個人體表溫度升高則可能是得了感染性疾病，又如恰當的調節保溫箱，能夠給新生兒營造舒適的環境等。這些例子都說明溫度在醫學領域中的應用是很廣泛的，因此溫度感測器在醫學中的應用同樣重要。
4.1 溫度感測器的種類及應用
4.1.1 熱電偶式
迴路由兩種不同的金屬組成，如果觸電溫度不同，那麼就會有電流通過迴路，這就是熱電偶式感測器的原理。這種感測器的優點是可靠準確、範圍廣、測量穩定，在醫學領域有廣泛應用。例如在腫瘤治療中，如果精確的控制溫度就能強化放療的效果，因此使用熱電偶感測器將腫瘤周圍溫度控制在 43℃，提高了治療腫瘤的療效。
4.1.2 熱電阻式
主要是使用熱敏電阻，這是一種對溫度很敏感的元件，可以使用熱敏電阻來製作探頭，例如半導體熱電阻和金屬熱電阻等。熱電阻感測器的優點是價格便宜、反應快，並且工藝較為成熟，我國工業使用熱敏電阻非常廣泛，由於熱敏電阻靈敏、體積小的特點，在醫學中同樣得到了大量應用。例如在玻璃或者塑料中封裝熱敏電阻，可以用來測量直腸、口腔等部位的溫度，而薄片熱敏電阻則用來測量體表溫度。熱電阻感測器有廣闊的發展前景。
4.1.3 熱輻射式
實際上是一種熱電變換器，使用黑色表面的元件將輻射量吸收進來，轉化為熱量後經過其他元件轉換，成為引數或者電量，常見的就是非接觸式溫度感測器，例如在非典期間使用廣泛的紅外線測溫儀。
4.2 PN 結溫度感測器
溫度會對 PN 結的伏安特性產生影響，因此可以利用這個特性製作溫度感測器，例如常見的有積體電路感測器、二極體和三極體溫度感測器等。其中積體電路感測器應用較多，是在一片晶片上整合外圍電路和溫閩三極體。和熱敏感測器相比，整合模擬感測器響應速度更快、靈敏度更高，並且體積較小，攜帶和使用都很方便。
4.3 數字溫度感測器
將溫度轉換為振盪頻率的變化是數字溫度感測器的原理，數字溫度感測器可以分為智慧溫度感測器和邏輯輸出感測器。其中智慧溫度感測器也叫智慧溫度控制器，發明於上世紀九十年代，現在國際上已經有多種智慧溫度感測器，這是計算機技術和微電子技術結合的產物。智慧溫度感測器是一種軟硬體結合的產品，其智慧程度也受到軟體水平的影響。智慧溫度感測器體積小、抗干擾並且精度較好，可以採用智慧溫度感測器建設病房多路溫度測控系統，批量測量體溫，還具備報警功能。邏輯輸出溫度感測器就是溫度開關，在很多時候我們只關心溫度是否超出了範圍，如果有這種需求則可以採用邏輯輸出溫度感測器。
5 結束語
綜上，介紹了感測器的組成和分類，並分析了當前常用的幾類感測器在醫學領域的具體應用。