傳感器是什么？

傳感器是檢測(cè)物理、化學(xué)和生物信號(hào)的裝置，并為這些信號(hào)的測(cè)量和記錄提供了一種方法。可以感知的物理特性包括溫度，壓力，振動(dòng)，聲級(jí)，光強(qiáng)度，載荷或重量，氣體和液體的流速，磁場(chǎng)和電子場(chǎng)的振幅，以及氣態(tài)，液態(tài)或固態(tài)中的許多物質(zhì)的濃度形成。雖然今天的傳感器和1970年的計(jì)算機(jī)一樣，但是由于微芯片技術(shù)和分子化學(xué)的進(jìn)步，傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用正在起飛。

傳感器在許多行業(yè)中發(fā)揮了重要作用，提供了用于計(jì)數(shù)，分類，閱讀和機(jī)器人引導(dǎo)的機(jī)械“視覺”。觸覺傳感器，通常是壓電材料，在觸摸，擠壓或彎曲時(shí)或在溫度變化時(shí)產(chǎn)生電壓。其他傳感器可以檢測(cè)特定的化學(xué)壓力和液位。汽車，家庭和辦公室都裝有傳感器。在短期內(nèi)，醫(yī)療應(yīng)用中使用的傳感器將發(fā)出信號(hào)，該信號(hào)可以在確定點(diǎn)讀取或通過有線或無(wú)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程位置。微處理器技術(shù)的進(jìn)步創(chuàng)造了一種智能傳感器，將傳感能力和數(shù)據(jù)處理結(jié)合在一個(gè)集成電路芯片中。下一步是將傳感和處理與執(zhí)行器(如微機(jī)電系統(tǒng))結(jié)合起來(lái)。

 

傳感器處于最前沿

工業(yè)中使用的許多傳感器技術(shù)可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，并且在未來(lái)，隨著獨(dú)特的傳感器和依賴于傳感器的微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試，非醫(yī)療行業(yè)將使它們適用于工業(yè)應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域，信息技術(shù)和生物技術(shù)之間的交叉點(diǎn)越來(lái)越廣泛，傳感器，信號(hào)傳感器，執(zhí)行器和微機(jī)械的作用也將日益擴(kuò)大。新一代醫(yī)療傳感器的一些例子表明這些設(shè)備在許多醫(yī)療保健領(lǐng)域?qū)⒕哂行碌淖饔茫?br />
1.用于連續(xù)監(jiān)測(cè)和記錄糖尿病患者組織葡萄糖濃度的皮下系統(tǒng)在美國(guó)剛剛獲得批準(zhǔn)。下一代植入式葡萄糖傳感器將提供可從遠(yuǎn)程手持設(shè)備或臺(tái)式機(jī)讀取的連續(xù)值。

2.一個(gè)看起來(lái)像手表的葡萄糖傳感器位于皮膚上并產(chǎn)生小的電擊，其打開毛孔以便可以提取液體以監(jiān)測(cè)組織葡萄糖濃度。

3.日本公司Toto的工程師設(shè)計(jì)了一個(gè)廁所，用于分析尿液的葡萄糖濃度，記錄體重和其他基本讀數(shù)，并自動(dòng)通過調(diào)制解調(diào)器向用戶的醫(yī)生發(fā)送每日?qǐng)?bào)告。

4.新的微型工具可以使用微型傳感器（18 mm×8 mm×8 mm）測(cè)量三維的解剖結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，可以收集空間數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確重建心臟，血管，胃和其他器官的超聲圖像。

5.閉環(huán)裝置（VIA Medical，San Diego，CA，USA）現(xiàn)在可用于重癥監(jiān)護(hù)病房的新生兒的血液分析。通過留置線，血液通過化學(xué)傳感器循環(huán)，在一分鐘內(nèi)分析，并返回，新生兒沒有血液損失。

6.科學(xué)家們開發(fā)了一種用于檢測(cè)生物武器的輕型全自動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用熒光抗體，二極管激光，纖維光學(xué)和光電探測(cè)器來(lái)發(fā)現(xiàn)空氣中的細(xì)菌。

7.病原體也可以通過另一種生物傳感器檢測(cè)，該生物傳感器使用集成光學(xué)，免疫測(cè)定技術(shù)和表面化學(xué)。傳感器傳輸?shù)募す庾兓砻鞔嬖谔囟?xì)菌，這些信息可在數(shù)小時(shí)內(nèi)獲得。

 

 

8.澳大利亞團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高度穩(wěn)定且靈敏的生物傳感器，通過切換脂質(zhì)膜中的離子通道進(jìn)行操作。激活后，生物受體如抗體和DNA將化學(xué)事件轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。一個(gè)研究小組報(bào)告說(shuō)，它可以衡量將一個(gè)糖塊放入悉尼港的糖含量的增加。

9.下一代心臟起搏器將通過接收身體各個(gè)部位的讀數(shù)（例如血液中的氧飽和度和心臟壁壓力）變得“聰明”，從而允許心臟起搏器使心臟的起搏適應(yīng)那些實(shí)時(shí)讀數(shù)。

10.聚合物晶片可以用治療劑飽和，例如藥物或胰島素。10在后一種情況下，晶片包含，使所述晶片以改變胰島素的pH和溶解度響應(yīng)于血糖濃度的變化的酶。在動(dòng)物身上測(cè)試的智能晶片使用磁力或超聲波來(lái)改變藥物劑量或轉(zhuǎn)換為另一種藥物。

11.約翰斯·霍普金斯研究所的科學(xué)家和工程師開發(fā)了一種生物芯片光電傳感器，可以作為人工視網(wǎng)膜植入眼內(nèi)，用于黃斑變性和視網(wǎng)膜色素變性患者。

12.引起耳，鼻和喉嚨感染的細(xì)菌可通過電子“鼻子”立即識(shí)別，該鼻子可檢測(cè)并區(qū)分細(xì)菌滋生的氣味。

13.全世界有超過2萬(wàn)人植入了聽覺傳感器，這些傳感器繞過聽覺機(jī)制的無(wú)功能部分。第一個(gè)成功與人腦接口的設(shè)備已經(jīng)完全植入，其電池可通過便攜式感應(yīng)充電裝置進(jìn)行數(shù)字編程和充電。

醫(yī)用傳感器的應(yīng)用

如果說(shuō)傳感器將在短期內(nèi)對(duì)醫(yī)療保健產(chǎn)生革命性的影響，這種說(shuō)法言過其實(shí)，但在10年內(nèi)是現(xiàn)實(shí)的。傳感器技術(shù)將在未來(lái)移動(dòng)醫(yī)療服務(wù)提供的地方，改變醫(yī)院、門診站點(diǎn)、家庭和家庭之外流動(dòng)項(xiàng)目的角色。

 

1）醫(yī)院

大廳天花板上的通風(fēng)口將是一個(gè)空氣監(jiān)測(cè)器，它可以檢測(cè)并報(bào)告任何可能將空氣傳染給病人的訪客。其他傳感器將被安置在水槽中，以便醫(yī)護(hù)人員和訪客在進(jìn)入病房前后洗手。任何載體都將被手持式生物傳感器掃描，該傳感器可以識(shí)別特定的生物體及其敏感模式。

中央實(shí)驗(yàn)室將不復(fù)存在。不太頻繁的測(cè)試將在區(qū)域設(shè)施中進(jìn)行。細(xì)菌學(xué)實(shí)驗(yàn)室將被手持式生物傳感器取代，其中一些起到電子鼻的作用，另一些可以檢測(cè)和表征痰液、尿液和其他分泌物中的微生物。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室也將消失，取而代之的是每位患者佩戴或植入的化學(xué)傳感器。對(duì)于急性病患者，類似的化學(xué)傳感器陣列將成為輸液導(dǎo)管和病床的組成部分。授權(quán)人員可以在任何站點(diǎn)的設(shè)備上讀取數(shù)據(jù)。

手術(shù)室，輪床和醫(yī)院病床使用的桌子將是同一件設(shè)備，將由機(jī)器人輪轉(zhuǎn)。創(chuàng)傷和運(yùn)輸裝置（LSTAT，諾斯羅普格魯曼公司）的精密生命支持設(shè)計(jì)用于在戰(zhàn)場(chǎng)條件下使用并在世紀(jì)之交后商業(yè)化，是這種移動(dòng)床的先驅(qū)。該裝置將航空航天材料，信息處理和集成系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合在一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自主功能的單元中。通過使用嵌入式傳感器，床可以監(jiān)測(cè)生命體征和血液化學(xué)，并且還可以在傳感器的控制下提供機(jī)械通氣，抽吸，血管內(nèi)輸注和心臟除顫。患者可以留在該單元進(jìn)行外科手術(shù)和恢復(fù)，同時(shí)通過智能傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)，智能傳感器可以響應(yīng)患者的變化激活同步抑制程序。將不再需要中央重癥監(jiān)護(hù)病房來(lái)監(jiān)測(cè)急性病患者或接受過手術(shù)的患者，從而降低交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。

手術(shù)室里使用的桌子、輪床和病床都將是同樣的設(shè)備，由機(jī)器人推來(lái)推去。為創(chuàng)傷和運(yùn)輸單元設(shè)計(jì)的先進(jìn)的生命支持系統(tǒng)(LSTAT，諾斯羅普·格魯曼公司)，設(shè)計(jì)用于戰(zhàn)場(chǎng)條件下，并在世紀(jì)之交后商業(yè)化，是這種移動(dòng)床的先驅(qū)。該儀器將航空航天材料、信息處理和綜合系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合在一個(gè)具有自主功能的單元中。通過使用嵌入式傳感器，該床可以監(jiān)測(cè)生命體征和血液化學(xué)反應(yīng)，并配備了在傳感器控制下提供機(jī)械通氣、吸力、血管內(nèi)灌注和心臟除顫。病人可以留在這個(gè)單元進(jìn)行外科手術(shù)和康復(fù)，同時(shí)由智能傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)，這些傳感器可以根據(jù)病人的變化激活同時(shí)靜止程序。不再需要中央重癥監(jiān)護(hù)病房來(lái)監(jiān)測(cè)重癥患者或已做過手術(shù)的患者，從而降低交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。

心導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)室將進(jìn)入分子心臟病學(xué)時(shí)代。由于藥物已經(jīng)降低了動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生率，并能溶解斑塊和血栓，因此需要冠狀動(dòng)脈血管成形術(shù)的患者數(shù)量已經(jīng)減少了。相反，由傳感器引導(dǎo)的導(dǎo)管將被用于向缺血和受損的心肌輸送血管生成因子和培養(yǎng)的心肌細(xì)胞。一些病人正在接受基于傳感器的新型微型機(jī)器的治療，這種機(jī)器可以清除冠狀動(dòng)脈中的斑塊。

2）門診部位

提供智能心臟起搏器，人工視網(wǎng)膜和化學(xué)傳感器的患者將在當(dāng)?shù)氐拈T診初級(jí)保健診所看到。醫(yī)生或護(hù)士將獲得有關(guān)患者血液化學(xué)，心電圖，血壓和體溫的信息。由于植入了智能葡萄糖傳感器或胰島素儲(chǔ)庫(kù)系統(tǒng)，糖尿病患者將不會(huì)出現(xiàn)與糖尿病相關(guān)的問題。一名看似健康的輸血相關(guān)艾滋病的老年婦女將通過一個(gè)智能病毒計(jì)數(shù)傳感器進(jìn)行管理，該傳感器與植入的含有藥物的儲(chǔ)存器相結(jié)合。智能傳感器或藥物儲(chǔ)存系統(tǒng)在管理患者方面同樣有效，患者的躁狂抑郁癥功能現(xiàn)在由化學(xué)傳感器調(diào)節(jié)，該傳感器檢測(cè)到初始化學(xué)不平衡并促使注射適當(dāng)?shù)乃幬铩?br />
3）家庭保健

遠(yuǎn)程醫(yī)療和傳感器技術(shù)將把門診實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)生的手術(shù)轉(zhuǎn)移到起居室。交互式視頻會(huì)議，教育計(jì)劃和各種傳感器將提供遠(yuǎn)程醫(yī)療保健?；颊卟恍枰嬖V護(hù)士他們的體重，因?yàn)樽o(hù)士會(huì)在手持設(shè)備上看到它，生命體征和血液化學(xué)值。護(hù)士將能夠告知患者他們的廁所是否在他們的尿液中報(bào)告了細(xì)菌，并且藥房將相應(yīng)地提供處方。

4）門診治療

智能血壓傳感器將管理高血壓患者的藥物，當(dāng)心臟功能和生命體征的集成傳感器指示意外問題時(shí)，立即向中央監(jiān)測(cè)單元發(fā)出警報(bào)。腸易激綜合征患者的腹瀉發(fā)作將在他們開始進(jìn)化時(shí)被檢測(cè)到，患者將能夠通過按壓藥物填充的皮下儲(chǔ)庫(kù)突然終止這些腹瀉。

最后的想法

在10年內(nèi)，生物傳感器將導(dǎo)致護(hù)理場(chǎng)所和輸送系統(tǒng)配置的變化。在許多情況下，護(hù)理質(zhì)量將得到改善，患者可以在家中進(jìn)行管理。醫(yī)院將以不同的方式運(yùn)作，以及更安全和有效。然而，這些進(jìn)步將是昂貴的，并且在世界許多地方都無(wú)關(guān)緊要。用于預(yù)防影響全世界數(shù)百萬(wàn)人的共同疾病的新型和更好的疫苗將比未來(lái)十年開發(fā)和制造的所有傳感器對(duì)人類帶來(lái)更大的益處。