生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)（生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)）

簡(jiǎn)要介紹

根據(jù)要檢測(cè)的人體生理信息的種類，生物醫(yī)學(xué)傳感器可以分為：物理量、化學(xué)量和生物量傳感器三大類，如下表所示：

發(fā)展現(xiàn)狀

生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的基礎(chǔ)研究是闡明傳感器的分子識(shí)別機(jī)理與掌握多種器件與材料界面反應(yīng)過程的細(xì)節(jié)，前者是提高信噪比的依據(jù)，后者是縮短響應(yīng)時(shí)間的關(guān)鍵。此外，傳感技術(shù)又是一門技術(shù)科學(xué)，要把基礎(chǔ)研究的成果變成產(chǎn)品必須重視工藝革新，各種加工工藝包括精密機(jī)械加工、半導(dǎo)體工藝、化學(xué)腐蝕以及生物技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用，特別是多學(xué)科的交叉與融合。

敏感材料與基質(zhì)材料相結(jié)合構(gòu)成傳感器的核心部件—敏感膜。對(duì)于常用的成膜技術(shù)，物理傳感器是采用半導(dǎo)體中的薄膜、厚膜及分子束外延等技術(shù)，化學(xué)傳感器常用物理吸附及包埋、化學(xué)交聯(lián)與分子組裝等。在生物傳感技術(shù)中，多酶體系膜、單克隆抗體膜、介導(dǎo)體膜與單分子成膜技術(shù)等發(fā)展快速。

美國和歐洲自70年代陸續(xù)舉辦的傳感器（Transducer）國際大型會(huì)議、生物傳感器（Biosensors）國際會(huì)議以及化學(xué)傳感器（Chemical Sensors）等國際會(huì)議都是每2年舉行一次。國際性傳感器專業(yè)雜志有著名的“Biosensors & Bioelectronics”，“Sensors and Actuators A(Physical)、B(Chemical)”以及“IEEE Sensors Journal”等。國際著名綜合性雜志“Nature”、“Science”以及“Cell”等著名刊物刊載了眾多開創(chuàng)性的生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)論文，生物醫(yī)學(xué)傳感器的專利日漸增多。國內(nèi)在《中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)》、《儀器儀表學(xué)報(bào)》、《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》、《生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志》、《傳感器技術(shù)》、《分析化學(xué)》、《化學(xué)傳感器》、《國外分析儀器》等刊物以及全國性的敏感元件與傳感器、化學(xué)傳感器、氣濕敏傳感器以及微系統(tǒng)與微納米技術(shù)等系列學(xué)術(shù)會(huì)議都報(bào)道有大量專業(yè)和創(chuàng)新性的生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)論文。

生物醫(yī)學(xué)傳感器及以此類傳感器為依托的眾多醫(yī)療器械早巳形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，曾經(jīng)被認(rèn)為是難以實(shí)用化的生物傳感器，現(xiàn)已有很多種產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。為了加速生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展，在國際競(jìng)爭(zhēng)中取得領(lǐng)先地位，工業(yè)化國家成立了各種傳感技術(shù)中心，例如美國的斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校等著名大學(xué)都設(shè)有以傳感器為重點(diǎn)的技術(shù)中心或?qū)嶒?yàn)室，德國的馬普實(shí)驗(yàn)室、日本東京大學(xué)的傳感器尖端技術(shù)中心、荷蘭Twente大學(xué)歐洲傳感技術(shù)中心以及俄羅斯圣彼得堡大學(xué)的化學(xué)傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室等。

主要特點(diǎn)

目前在生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類上是作為一類特殊的電子（或光學(xué)）器件，實(shí)際上它比一般的電子或光學(xué)器件要復(fù)雜得多，這是由它本身的許多特點(diǎn)所決定的。

設(shè)計(jì)、制作與應(yīng)用傳感器，涉及一系列的科學(xué)與技術(shù)。以化學(xué)傳感器為例，設(shè)計(jì)敏感材料需要涉及量子化學(xué)、納米科學(xué)等學(xué)科。合成這些材料需要熟悉超分子化學(xué)、主一客化學(xué)、分子篩化學(xué)、生物技術(shù)等。成膜技術(shù)需要理解表面化學(xué)、界面物理與分子組裝技術(shù)。研制轉(zhuǎn)換器件需要用到微納電子技術(shù)、光電子技術(shù)以及精密機(jī)械加工技術(shù)等。

因?yàn)檫@類傳感器的應(yīng)用對(duì)象是人，必須萬無一失。在美國這類傳感器用于臨床需經(jīng)食品與藥物管理局(FDA)正式批準(zhǔn)，要求極為嚴(yán)格，需要證明長(zhǎng)期使用對(duì)人體無害、無副作用，用以提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)絕對(duì)可靠。測(cè)量體液的傳感器應(yīng)能抗體液的侵蝕并易于清洗，在體測(cè)量或植入式傳感器應(yīng)與組織有良好的生物相容性且能防止排斥反應(yīng)，所有這些都要求生物醫(yī)學(xué)傳感器具有高穩(wěn)定性、高可靠性。

高精度的傳感器離不開精細(xì)的工藝，例如基于微納電子集成技術(shù)制成的微納傳感器，需要特殊的半導(dǎo)體以及高分子聚合物的加工技術(shù)，能在長(zhǎng)時(shí)間的浸泡中不產(chǎn)生滲漏與變形，敏感膜與器件表面的耦合需要精細(xì)的工藝，微納電極的制備需要借助精密儀器，需要機(jī)械方法與化學(xué)方法的密切配合。一只好的傳感器既是一項(xiàng)產(chǎn)品，也是一項(xiàng)工藝品。

應(yīng)用領(lǐng)域

目前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域舉例如圖1所示：

1)

生物醫(yī)學(xué)圖象

2)

便攜診斷儀器

3)

介入式測(cè)量：

4)

血糖、血氧監(jiān)控：

5)

連續(xù)代謝物監(jiān)控：

6)

親和性傳感器：

生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)

發(fā)展目標(biāo)

使用醫(yī)用傳感器進(jìn)行人體信息檢測(cè)，有著與其它測(cè)量明顯不同的特殊性：無創(chuàng)傷測(cè)量和安全、可靠測(cè)量等。近年來無創(chuàng)傷測(cè)量方法成為重要研究課題。對(duì)生物體不造成創(chuàng)傷或僅僅引起輕微創(chuàng)傷的檢測(cè)方法稱作無創(chuàng)和微創(chuàng)檢測(cè)，這種技術(shù)易于被測(cè)者接受，特別是在人體或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物活體的原位進(jìn)行的無創(chuàng)及微創(chuàng)檢測(cè)，有利于保持被測(cè)對(duì)象的生理狀態(tài)，有利于進(jìn)行生理、生化參數(shù)的長(zhǎng)期和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因而便于在臨床檢查、監(jiān)護(hù)和康復(fù)評(píng)價(jià)中廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已成為生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向。一種方法是從人體表面進(jìn)行測(cè)量。人體表面能被動(dòng)地反映人體內(nèi)部的情況，根據(jù)測(cè)量結(jié)果可以推斷出人體內(nèi)的情況。另一種方法是從體外輸入載波信號(hào)，再根據(jù)體內(nèi)現(xiàn)象對(duì)載波信號(hào)的調(diào)制情況進(jìn)行判斷，如利用閃爍晶體測(cè)量穿透人體的X線的吸收率來判斷體內(nèi)器官的狀態(tài)等。

以心電、腦電為代表的循環(huán)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的生理量檢測(cè)相對(duì)來說發(fā)展較早和較快，但由于其重要性居各生理量的高位，因此80年代中，隨著微電子技術(shù)及智能自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)心電及腦電的“長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、自動(dòng)、無創(chuàng)”檢測(cè)的研究工作報(bào)導(dǎo)仍然居高不下。以心電為例，許多學(xué)者仍致力于在強(qiáng)干擾 (電磁干擾及肌電干擾等)下自心電圖中自動(dòng)提取和識(shí)別多類別的心律失常信息的研究。此外，心電圖中的P波檢測(cè)、ST段的檢測(cè)方法的研究，在母體體表提取胎兒心電的研究，高頻心電圖的研究，體表希氏束電圖實(shí)時(shí)檢測(cè)的研究以及晚(遲)電位檢測(cè)的研究都取得不同程度的進(jìn)展。同時(shí)大力開展腦電、眼電為代表的神經(jīng)系統(tǒng)生物電誘發(fā)電位檢測(cè)的研究，其誘發(fā)手段有電、光、聲、體感、嗅覺和味覺誘發(fā)刺激等。雖然這些研究成果中提供的檢測(cè)技術(shù)與方法尚未達(dá)到臨床醫(yī)生診斷所要求那樣的成熟程度，但在很大程度上提高了心電診斷和監(jiān)護(hù)儀器的水平。

生物磁場(chǎng)的來源主要是生物體內(nèi)伴隨生物電活動(dòng)而產(chǎn)生的磁場(chǎng)，如心磁、腦磁、肌磁、眼磁和神經(jīng)磁等。此外也包括由生物體組織內(nèi)磁性介質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)場(chǎng)和侵入生物體內(nèi)的強(qiáng)磁性物質(zhì)產(chǎn)生的剩余磁場(chǎng)，如肝的感應(yīng)磁場(chǎng)和肺磁場(chǎng)等。目前已能在實(shí)驗(yàn)室條件下探測(cè)到上述種種磁場(chǎng)。但是，生物磁場(chǎng)一般都很微弱，例如，心磁場(chǎng)強(qiáng)度約為10T量級(jí)，腦磁場(chǎng)強(qiáng)度約為10T量級(jí)，眼磁場(chǎng)強(qiáng)度為10T量級(jí)，肺磁場(chǎng)強(qiáng)度低于10T量級(jí)，因此一般需要用置于液氮容器中的超導(dǎo)量子干涉儀進(jìn)行檢測(cè)，并且測(cè)量系統(tǒng)需處于特殊的磁屏蔽環(huán)境中。同目前的生物電檢測(cè)相比，生物磁場(chǎng)檢測(cè)具有許多特點(diǎn)。以心磁測(cè)量為例，由于心磁圖的測(cè)量采用檢測(cè)線圈而非電極拾取生物信號(hào)，即檢測(cè)系統(tǒng)與生物體不直接接觸，不受被測(cè)對(duì)象表面狀態(tài)的影響，不產(chǎn)生電極偽差，電安全性好；由于檢測(cè)線圈感應(yīng)的磁場(chǎng)信號(hào)是某點(diǎn)或某位置的信號(hào)，不是兩點(diǎn)間的差值，故可進(jìn)行定位測(cè)量；生物組織的磁導(dǎo)率均勻，生物磁場(chǎng)信號(hào)在生物體內(nèi)的傳播不會(huì)失真。因此，生物磁場(chǎng)檢測(cè)方法的研究已成為生物醫(yī)學(xué)測(cè)量的前沿性和熱點(diǎn)課題之一，并展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，隨著常溫超導(dǎo)等技術(shù)的發(fā)展，生物磁場(chǎng)檢測(cè)將會(huì)逐步進(jìn)入臨床應(yīng)用階段。

利用傳感器無創(chuàng)檢測(cè)血壓、血流、呼吸、脈搏、體溫、心音等生理參數(shù)的方法，目前已比較成熟，因而在臨床檢查和各類監(jiān)護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用。其發(fā)展趨勢(shì)是發(fā)展新的無創(chuàng)或微創(chuàng)檢測(cè)生理參數(shù)的方法，研究用同一傳感器同時(shí)檢測(cè)多種生理參數(shù)和從一次量檢測(cè)中提取多種二次信息的方法，例如用光電法檢測(cè)脈搏的同時(shí)，提取心率、血壓、血氧飽和度等信息；采用電磁耦合或光耦合技術(shù)檢測(cè)顱內(nèi)壓、口腔內(nèi)壓等生理參數(shù)，發(fā)展非接觸及遠(yuǎn)程檢測(cè)方法。生化參數(shù)的檢測(cè)一般是從受試者體內(nèi)采集的血液和體液樣品進(jìn)行測(cè)量，因而多數(shù)為有創(chuàng)方法，并且不能長(zhǎng)期、連續(xù)和實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)參數(shù)的變化。目前，無創(chuàng)或微創(chuàng)性生化參數(shù)檢測(cè)方法的研究受到重視。例如，從唾液中檢測(cè)非那西了、草妥英等化學(xué)成分，并與經(jīng)血漿檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)研究；研究采用對(duì)皮膚施加微小負(fù)壓吸引浸出液，然后用于傳感器檢測(cè)血糖的方法。

生物活體內(nèi)信息直接測(cè)量方法的明顯優(yōu)點(diǎn)在于可高精度地檢測(cè)生理和生化參數(shù)。體內(nèi)信號(hào)直接檢測(cè)方法通常有介入式（或插入式）、吞入式和體內(nèi)固定植入式。介入式檢測(cè)法指采用各種導(dǎo)管技術(shù)、內(nèi)窺鏡（含光學(xué)的、超聲的和微波的內(nèi)窺鏡）技術(shù)檢測(cè)體內(nèi)生理、生化及形態(tài)和功能信息，目前已與光纖技術(shù)和氣囊技術(shù)及各種理療、化療、手術(shù)治療相結(jié)合，組成了種種介入式診療系統(tǒng)。吞入式檢測(cè)法的典型代表是用于消化道器官內(nèi)生理、生化參數(shù)檢測(cè)的無線電膠囊。固定埋植入式檢測(cè)系統(tǒng)是近年發(fā)展最快、最廣的一類體內(nèi)信息直接檢測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)在于可保證微型檢測(cè)裝置與生物體間具有良好的匹配，生物體可處于無拘束的自然生理狀態(tài)。檢測(cè)系統(tǒng)處于近似恒溫且干擾很小的環(huán)境中，有利于連續(xù)、精確、長(zhǎng)期地觀測(cè)某些生理、生化信息的細(xì)微變化，特別有利于生命科學(xué)研究的定量化。

植入式多類別、多通道檢測(cè)系統(tǒng)已用于動(dòng)物研究，用以測(cè)定眾多的生理、生化參數(shù)，如ECG、EEG、EMG、體溫、血壓、pH值、酶活性、血流口腔內(nèi)壓、顱內(nèi)壓、血流等。應(yīng)用于人體的植入式檢測(cè)裝置的研究亦有許多報(bào)道，例如假肢安裝者的肌電信號(hào)遙測(cè)，人工關(guān)節(jié)內(nèi)部的應(yīng)力測(cè)試，對(duì)移植自然臟器及埋植人工臟器后人體生理、生化參數(shù)的長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試，以及神經(jīng)外科手術(shù)及藥物療效的評(píng)估研究等。這一類植入式檢測(cè)裝置的典型尺寸是毫米級(jí)，而其功能起來越復(fù)雜，為此，美國斯坦福大學(xué)集成電路中心近年開發(fā)了一系列植入式檢測(cè)用的專用芯片，包括信號(hào)處理芯片（含多路前置放大器、振蕩器、驅(qū)動(dòng)/接收器、多路開關(guān)等）、FM和脈沖編碼射頻發(fā)射機(jī)芯片、射頻控制的功率開關(guān)，以及供超聲檢測(cè)用的植入式超聲信號(hào)處理芯片。植入式檢測(cè)的信號(hào)傳輸大都采用以電磁波、光波或超聲為傳輸介質(zhì)的遙測(cè)方式，對(duì)這類檢測(cè)系統(tǒng)的要求主要是長(zhǎng)期穩(wěn)定性、傳感器及封裝材料的生物相容性和可靠性。

這種系統(tǒng)已應(yīng)用于人工心臟、人工胃、心臟起搏器及除顫器、人工耳蝸多的研究。其中植人式心臟起搏器及除顫器的研究最為引人注目。植入式心臟起搏器與除顫器研究的重點(diǎn)之一是心律失常的高可靠性檢測(cè)。為了進(jìn)一步提高室顫的檢測(cè)能力，最新的植入式自動(dòng)除顫器中采用了心率檢測(cè)及根據(jù)概率密度函數(shù)來判別室顫，而且還有存貯記憶功能，通過體內(nèi)外信息交換，可獲知一個(gè)階段中發(fā)生室顫的信息和除顫情況。有些研究者還采用在檢測(cè)心電的同時(shí)檢測(cè)血壓的室顫雙重判別方法。植入式藥療系統(tǒng)亦是集信號(hào)檢測(cè)、處理與控制為一體的閉環(huán)控制裝置，例如用于治療糖尿病的藥療系統(tǒng)中，需采用包括植入式葡萄糖電極在內(nèi)的連續(xù)血糖檢測(cè)裝置，其微型化、低功耗、高穩(wěn)定性及高可靠性是長(zhǎng)期植人的必要前提。

用吞服式無線電膠囊檢測(cè)消化道器官中生理、生化參數(shù)的方法歷經(jīng)了30多年的研究，目前已有部分商品化。無線電（遙測(cè)）膠囊聽般按能源供給方式分為能動(dòng)型和受動(dòng)型兩類，按測(cè)量方法分為連續(xù)跟蹤式和遙控采樣式兩種。目前研究的重點(diǎn)是多參數(shù)、受動(dòng)型連續(xù)跟蹤測(cè)定技術(shù)。它需在體外利用無線電或X射線定位跟蹤技術(shù)，探知體內(nèi)的生理、生化參數(shù)，諸如pH值、溫度、壓力、酶活性及出血部位等。由于這種檢測(cè)方式下的患者處于無拘束的自然狀態(tài)，無痛苦感，而且是一種口腔吞服、肛門排出的短期連續(xù)測(cè)量裝置，對(duì)能源及生物相容性等的要求比長(zhǎng)期植入的低，故易被患者和醫(yī)生所接受。

體外信息交換方法的研究已在兩個(gè)方面取得了進(jìn)展：其一是各類電磁波、紅外光穿越皮膚及人體組織的性質(zhì)；其二是體內(nèi)外信息的耦合方法。常用的體內(nèi)外信息交換方法是“回波響應(yīng)法”，其中一種方法是從體外向體內(nèi)射送植于體內(nèi)的檢測(cè)與控制裝置所需的能量，而將體內(nèi)檢測(cè)到的信息傳送至體外進(jìn)行處理；另一種方法是在體外向體內(nèi)供給激勵(lì)信號(hào)或程序控制用信號(hào)，并在體外用耦合線圈的形式提取體內(nèi)信息。以一種植入式體內(nèi)測(cè)溫裝置為例，這種方法僅需在體內(nèi)埋植一個(gè)測(cè)溫用的石英晶體以及一個(gè)體內(nèi)外進(jìn)行電磁耦合用的感應(yīng)線圈，在體外供給線性調(diào)頻信號(hào)，利用體內(nèi)晶體諧振頻率與溫度間的線性關(guān)系進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)溫誤差可控制在0.1C以內(nèi)，且具有較高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是機(jī)電一體化、微型化和智能化，尺寸可以小到數(shù)mm以下，一般將尺寸為l～10mm的稱為小型MEMS，尺寸為10μm～lmm的稱為微型MEMS，尺寸為10nm～10μrn的稱為超微型MEMS，尺寸為10nm以下稱為NEMS。MEMS中的微型傳成器和微型動(dòng)作器都是在集成電路基礎(chǔ)上用光刻或化學(xué)腐蝕技術(shù)制成的，且采用三維刻蝕方法。從而使MEMS中的馬達(dá)、傳感器、信息處理及控制電路都可集成在一小片芯片上。MEMS內(nèi)部還可有自測(cè)試、自校正、數(shù)字補(bǔ)償和高速數(shù)字通信等功能，因而能滿足體內(nèi)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)高可靠性、高精度及低成本的基本條件。各國研究者首先建議將MEMS應(yīng)用于生命科學(xué)及體內(nèi)診療上。美國麻省理工學(xué)院預(yù)測(cè)MEMS在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的領(lǐng)域包括：載有CCD相機(jī)和微型元件的MEMS可以進(jìn)入人類無法達(dá)到的場(chǎng)合觀測(cè)環(huán)境并存儲(chǔ)和傳輸圖象；可用于清通患腦血栓的患者的被堵塞動(dòng)脈；可用于接通或切斷神經(jīng)；進(jìn)行細(xì)胞級(jí)操作；實(shí)現(xiàn)微米級(jí)視網(wǎng)膜手術(shù)等精細(xì)外科手術(shù)；進(jìn)行體內(nèi)檢測(cè)及診斷等。

在人體和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物活體的原位，對(duì)機(jī)體的結(jié)構(gòu)或功能狀態(tài)所做的檢測(cè)技術(shù)，通常稱為“在體( in vivo)”檢測(cè)。而對(duì)離體的血液、尿液、活體組織或病理標(biāo)本之類的生物樣品進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)，稱為“離體( in vitro)”檢測(cè)。這一類檢測(cè)技術(shù)通常在臨床化驗(yàn)中占有很重要的地位，對(duì)組織切片及對(duì)血液和氣體采樣的離體分析檢測(cè)的目的是定量物質(zhì)組成成分及其含量，判別是否正常，是否有病理性微生物存在等。離體檢測(cè)要求有較高的檢測(cè)精確度和準(zhǔn)確度，要求有較快的響應(yīng)。由于檢測(cè)的類別很多，因此要求檢測(cè)裝置能實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)目自動(dòng)檢測(cè)，使用的標(biāo)本及試劑應(yīng)盡量少，根據(jù)以上要求，近年來發(fā)展了許多檢測(cè)方法，開發(fā)了一些新型的化學(xué)和生物傳感器，除常規(guī)的臨床分析(血液、尿液、腦脊液等)檢測(cè)手段更新外，離體檢測(cè)技術(shù)正不斷朝著多功能、連續(xù)、微量化及自動(dòng)檢測(cè)方向發(fā)展，各類采用光學(xué)分析法與電化學(xué)分析法的自動(dòng)生化檢測(cè)裝置隨著計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別與分析技術(shù)的發(fā)展而日新月異。離體檢測(cè)大部分屬于生化量檢測(cè)范疇，一部分屬于圖像檢測(cè)與自動(dòng)分析，這一類檢測(cè)方法涉及的領(lǐng)域很多，需借助于基因、蛋白質(zhì)工程、成膜技術(shù)、圖像分析處理及測(cè)量等多學(xué)科的發(fā)展。

發(fā)展趨勢(shì)

生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)舉例如圖2所示：

通常的采樣、送檢到提出報(bào)告，最快的速度也需要半個(gè)小時(shí)以上，這對(duì)于爭(zhēng)取時(shí)間搶救危重病人與做好外科手術(shù)等是極其不利的。針對(duì)上述問題，目前己開發(fā)了床邊監(jiān)測(cè)用傳感器，床邊監(jiān)測(cè)用傳感器應(yīng)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、結(jié)實(shí)、輕便、能連續(xù)或半連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，便于—般醫(yī)護(hù)人員操作。

無損監(jiān)則是病人最容易接受的監(jiān)測(cè)方式，是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)中受到普遍關(guān)注的實(shí)際問題。目前取得的進(jìn)展有經(jīng)皮血?dú)鈧鞲衅鳠o損監(jiān)測(cè)血?dú)?Po、Pco)，利用非抽血測(cè)量(即通過抽負(fù)壓使血液中的低分子滲出)傳感血糖、尿素等。

目前醫(yī)院檢驗(yàn)科配備的各種生化分析儀器，體積龐大，價(jià)格昂貴(以萬美元計(jì))，絕大部分依賴進(jìn)口。按照發(fā)展省錢的生物醫(yī)學(xué)工程的構(gòu)思，國內(nèi)外都注意發(fā)展低投入，高產(chǎn)出的檢驗(yàn)儀器，它具有價(jià)格低廉、操作與攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，其性能價(jià)格比同類大型精密儀器高出—個(gè)數(shù)量級(jí)。早期診斷不能過多地寄希望于影像設(shè)備、生化變化發(fā)生在器質(zhì)變化之前、生物醫(yī)學(xué)傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤標(biāo)志物等疾病的快速檢測(cè)。

細(xì)胞是人體的基本單位，人體的主要生理生化過程是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的，監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)的離子事件與分子事件，已成為當(dāng)前生命科學(xué)中的熱點(diǎn)課題。監(jiān)測(cè)離子事件的離子選擇性微電極(Ca、K、Na、C1、Mg、Li等)技術(shù)已漸趨成熟，而監(jiān)測(cè)分子事件的分子選擇性微電極在開發(fā)之中。

人體是各種傳感器蕪集之處，這些人體傳感器具有靈敏度高、選擇性好、集成度高等待點(diǎn)，研制仿生傳感器應(yīng)是發(fā)展生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的重要方向。目前已研制出多種受體傳感器、神經(jīng)元傳感器、仿神經(jīng)元傳感器。直接采用生物材料作生物傳感器存在的主要問題是，脫離固有的微環(huán)境后，活性物質(zhì)易失話，解決的主要途徑是利用仿生化學(xué)人工修飾或合成敏感材料。

智能人工胰腺的問世，為人工臟器的智能化提供了先例。一個(gè)臟器與其他的組織和器官之間保持著多方面的聯(lián)系，現(xiàn)行的人工臟器，只賦予該臟器單一的功能，割斷了原有臟器同其他組織器官的聯(lián)系。裝備了傳感系統(tǒng)、微系統(tǒng)或分子系統(tǒng)的智能人工臟器可望保持正常臟器的全面功能。異體器官移植面臨難以克服的排斥反應(yīng)問題，在植入的異體器官上裝備抗排斥反應(yīng)的分子系統(tǒng)是解決這一難題的有效途徑。

基因調(diào)控著細(xì)胞的活動(dòng)和人的生老病死，基因探測(cè)被認(rèn)為是當(dāng)代生命科學(xué)的核心技術(shù)之一?；蛱綔y(cè)目前采用傳統(tǒng)的生化方法、基因探針。這些方法的缺點(diǎn)是操作繁復(fù)，效率低，研制DNA、RNA傳感器是解決這些問題的有效途徑，這些研究正在積極進(jìn)行。

大腦活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)是以神經(jīng)遞質(zhì)與神經(jīng)調(diào)質(zhì)為主的系列分子事件，監(jiān)測(cè)這些分子事件是深化分子腦研究的重要手段。遞質(zhì)與調(diào)質(zhì)的特點(diǎn)之一，由于其含量甚微(pg級(jí))，在體連續(xù)傳感這些物質(zhì)，難度是很大的。調(diào)控基因“from gene to protein”的研究是生命科學(xué)的核心問題之一。此外，分子系統(tǒng)中的傳感器可以識(shí)別蛋白質(zhì)，處理器可據(jù)以確定基因的結(jié)構(gòu)(DNA序列)，執(zhí)行器可以對(duì)基因進(jìn)行切割拼接，即分子系統(tǒng)可以調(diào)控基因，影響生命過程，干預(yù)生老病死。

在體監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)、定點(diǎn)、動(dòng)態(tài)、長(zhǎng)期觀測(cè)休內(nèi)所發(fā)生的生理病理過程。在體監(jiān)測(cè)所提供的信息是無與倫比的。伴隨著傳感技術(shù)的進(jìn)展出現(xiàn)了多種多樣的在體監(jiān)測(cè)技術(shù)：植入式傳感器可將體內(nèi)的信息發(fā)射或傳送至體外；導(dǎo)管式傳感器可連續(xù)傳感血管內(nèi)或心臟內(nèi)的血?dú)?離子。在體監(jiān)測(cè)目前存在的主要問題是如何改進(jìn)傳感器與組織的相容性問題。

生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)

擴(kuò)展閱讀

1. Gründler P., 2007. Chemical Sensors. Springer, Germany.

2. Harsányi G., 2000. Sensors in Biomedical Applications. Technomic Publishing Company, Inc., 65-68.

3. Mohanty S.P. & Kougianos E., 2006. Biosensors: a tutorial review. Potentials, IEEE. 25, 35-40.

4. Bakhoum E.G. & Cheng M.H.M., 2010. Novel capacitive pressure sensor. Journal of Microelectromechanical Systems. 19, 443-450.

5. Bonato P., 2003. Wearable sensors/systems and their impact on biomedical engineering. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 22, 18-20.

6. Jeong J.W., Jang Y.W., Lee I., Shin S. & Kim S., 2009. Wearable respiratory rate monitoring using piezo-resistive fabric sensor. World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Munich,Germany, 282-284.

7. Barcelo D., 2006. Comprehensive Analytical Chemistry. Elsevier. 49, 87-100.

8. El-Ali J., Sorger P.K. & Jensen K.F., 2006. Cells on chips. Nature. 442, 403-411.

9. Giaever I., & Keese C.R., 1993. A morphological biosensor for mammalian cells. Nature. 366, 591-592.

10. Hafner F., 2000. Cytosensor? microphysiometer: technology and recent applications. Biosensors and Bioelectronics. 15, 149-158.

11. Helmke B.P. & Minerick A.R. 2006. Designing a nano-interface in a microfluidic chip to probe living cells: challenges and perspectives. Proceedings of the National Academy of SciencesUSA. 103, 6419- 6424.

12. Ping Wang,Qingjun Liu,“Biomedical Sensors and Measurement”,Springer,Germany, 2011;

13. Ping Wang,Qingjun Liu, “Cell-based Biosensors: Principles and Applications”,Artech House Press Inc., USA, 2010;

14. Krzysatof Iniewski, Biological and Medical Sensor Technologies, CRC Press, USA, 2012

15. Michael J. McGrath、Cliodhna Ni Scanaill, Sensor Technologies: Healthcare, Wellness and Environmental Applications, Apress, USA, 2013.

16. 王平，葉學(xué)松，《現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)》，浙江大學(xué)出版社，2003

17. 王平，《細(xì)胞傳感器》，科學(xué)出版社，2007

18. 王平，劉清君，《生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測(cè)》，浙江大學(xué)出版社，2010

19. 陳星、劉星君、王平 譯，生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2014