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医用传感器作为传感器的一个重要分支,其设计与应用必须考虑人体因素的影响,考虑生物信号的特殊性、复杂性,考虑生物医学传感器的生物相容性、可靠性、安全性。
1传感器本身具有良好的技术性能,如灵敏度、线性、迟滞、重复性、频率响应范围、信噪比、温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等。
2传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖结构相适应,使用时,对被测组织的损害要小。
3传感器对被测对象的影响要小,不会对生理活动带来负担,不干扰正常生理功能。
4传感器要有足够的牢固性,引进到待测部位时,不致脱落、损坏。
5传感器与人体要有足够的电绝缘,以保证人体安全。
6传感器进入人体能适应生物体内的化学作用,与生物体内的化学成分相容,不易被腐蚀、对人体无不良刺激,并且无毒。
7传感器进入血液中或长期埋于体内,不应引起血凝。
8传感器应操作简单、维护方便,结构上便于消毒。
飞秒检测发现生物医学传感与检测技术的特点和要求有:
知识密集
设计、制作与应用传感器,涉及一系列的科学与技术。以化学传感器为例,设计敏感材料需要涉及量子化学、纳米科学等学科。合成这些材料需要熟悉超分子化学、主一客化学、分子筛化学、生物技术等。成膜技术需要理解表面化学、界面物理与分子组装技术。研制转换器件需要用到微纳电子技术、光电子技术以及精密机械加工技术等。
可靠性高
因为这类传感器的应用对象是人,必须万无一失。在美国这类传感器用于临床需经食品与药物管理局(FDA)正式批准,要求极为严格,需要证明长期使用对人体无害、无副作用,用以提供的监测数据应绝对可靠。测量体液的传感器应能抗体液的侵蚀并易于清洗,在体测量或植入式传感器应与组织有良好的生物相容性且能防止排斥反应,所有这些都要求生物医学传感器具有高稳定性、高可靠性。
工艺精细
高精度的传感器离不开精细的工艺,例如基于微纳电子集成技术制成的微纳传感器,需要特殊的半导体以及高分子聚合物的加工技术,能在长时间的浸泡中不产生渗漏与变形,敏感膜与器件表面的耦合需要精细的工艺,微纳电极的制备需要借助精密仪器,需要机械方法与化学方法的密切配合。一只好的传感器既是一项产品,也是一项工艺品。
发展的特点包括:
1)床边监侧
通常的采样、送检到提出报告,最快的速度也需要半个小时以上,这对于争取时间抢救危重病人与做好外科手术等是极其不利的。针对上述问题,目前己开发了床边监测用传感器,床边监测用传感器应简单、坚固、结实、轻便、能连续或半连续运转,便于—般医护人员操作。
2)无损飞秒检测
无损监则是病人最容易接受的监测方式,是当前生物医学传感技术中受到普遍关注的实际问题。目前取得的进展有经皮血气传感器无损监测血气(Po2、Pco2),利用非抽血测量(即通过抽负压使血液中的低分子渗出)传感血糖、尿素等。
3)在体监测
在体监测,可以实时、定点、动态、长期观测休内所发生的生理病理过程。在体监测所提供的信息是无与伦比的。伴随着传感技术的进展出现了多种多样的在体监测技术:植入式传感器可将体内的信息发射或传送至体外;导管式传感器可连续传感血管内或心脏内的血气/离子。在体监测目前存在的主要问题是如何改进传感器与组织的相容性问题。
4)生物芯片和微流控技术
目前医院检验科配备的各种生化分析仪器,体积庞大,价格昂贵(以万美元计),绝大部分依赖进口。按照发展省钱的生物医学工程的构思,国内外都注意发展低投入,高产出的检验仪器,它具有价格低廉、操作与携带方便等优点,其性能价格比同类大型精密仪器高出—个数量级。早期诊断不能过多地寄希望于影像设备、生化变化发生在器质变化之前、生物医学传感器可实现对肿瘤标志物等疾病的快速检测。
5)细胞内监测
细胞是人体的基本单位,人体的主要生理生化过程是在细胞内进行的,监测细胞内的离子事件与分子事件,已成为当前生命科学中的热点课题。监测离子事件的离子选择性微电极(Ca、K、Na、C1、Mg、Li等)技术已渐趋成熟,而监测分子事件的分子选择性微电极在开发之中。
6)仿生传感器
人体是各种传感器芜集之处,这些人体传感器具有灵敏度高、选择性好、集成度高等待点,研制仿生传感器应是发展生物医学传感技术的重要方向。目前已研制出多种受体传感器、神经元传感器、仿神经元传感器。直接采用生物材料作生物传感器存在的主要问题是,脱离固有的微环境后,活性物质易失话,解决的主要途径是利用仿生化学人工修饰或合成敏感材料。
7)智能人工脏器
智能人工胰腺的问世,为人工脏器的智能化提供了先例。一个脏器与其他的组织和器官之间保持着多方面的联系,现行的人工脏器,只赋予该脏器单一的功能,割断了原有脏器同其他组织器官的联系。装备了传感系统、微系统或分子系统的智能人工脏器可望保持正常脏器的全面功能。异体器官移植面临难以克服的排斥反应问题,在植入的异体器官上装备抗排斥反应的分子系统是解决这一难题的有效途径。
8)基因飞秒检测
基因调控着细胞的活动和人的生老病死,基因探测被认为是当代生命科学的核心技术之一。基因探测目前采用传统的生化方法、基因探针。这些方法的缺点是操作繁复,效率低,研制DNA、RNA传感器是解决这些问题的有效途径,这些研究正在积极进行。
9)分子脑研究
大脑活动的物质基础是以神经递质与神经调质为主的系列分子事件,监测这些分子事件是深化分子脑研究的重要手段。递质与调质的特点之一,由于其含量甚微(pg级),在体连续传感这些物质,难度是很大的。调控基因“fromgenetoprotein”的研究是生命科学的核心问题之一。此外,分子系统中的传感器可以识别蛋白质,处理器可据以确定基因的结构(DNA序列),执行器可以对基因进行切割拼接,即分子系统可以调控基因,影响生命过程,干预生老病死。
10)人体监测传感器网络
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