前沿 | 技术要革医疗的命？盘一盘那些新型智能医用传感器
2020-01-20
智能医疗器械既是技术的进步也是患者的福音。医疗器械属于医疗系统的基础设施构成部分，因此其对于全面的智能化医疗服务有着极其重要的意义。在如今技术变革医疗的大时代，能否把医疗器械彻底智能化起来，很大程度依赖其底层组件——新型医用传感器的技术发展情况。
（一）医用传感器
新韦氏大词典中有关传感器的定义是：从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件。传感器通用术语（国家标准GB/T 7665-2005）中传感器的定义是：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器基本原理
医用传感器是把人体生理活动的信息转换成与之有确定函数关系的电信号的装置，它作为医学仪器与人体之间的重要环节，在医疗诊断、医学仪器研制、医学研究等诸多方面占有非常重要的地位。
（二）医用传感器分类
医用传感器主要以工作原理及应用形式两种方式进行分类。按照工作原理，主要分为：物理传感器、 化学传感器、生物传感器、以及生物电极传感器。
按工作原理分类
按照应用形式，可主要分为：植入式传感器、暂时植入式传感器、体外传感器、用于外部设备传感器、可食用传感器。
按应用形式分类
创新医用传感器
当今随着传感器技术的发展以及各领域的交叉融合，医用传感器的发展日新月异，尤其是电子技术、材料技术等突飞猛进的发展，结合研究者们天马行空的想象力，医用传感器朝着智能、微型化、多参数、无线化等等方面发展，种类愈加丰富、功能日益强大。笔者通过搜集查阅近几年的资料，分以柔性传感器、植入传感器、可消化传感器和新型传感器技术四个大类进行有关创新医用传感器的介绍。
（一）柔性传感器技术
随着材料技术、电子技术的发展，柔性基质材料以其柔韧、可弯曲、延展、可穿戴等优势逐步走上历史舞台。柔性传感器兼具柔性基质材料的优点与人体相适应，不论是可穿戴设备还是植入设备都有着非常好的适应性。
1. 智能创可贴
美国塔夫茨大学工程学院Sameer Sonkusale教授带领团队设计了一种新型智能创可贴，其厚度仅为3mm，由透明医用胶带、热活化抗生素凝胶、以及柔性电子元件组成。上图右侧为带有创面覆盖组件的智能绷带，左侧则是微处理器和可以触发药物输送的传感器：其中一个组件，是可以测量伤口pH值的传感器——如果数值明显高于6.5，则表明伤口已被感染；另有一颗温度传感器，它可以检测与炎症相关的发热量。
此外科学家们已经开发出了可用于测量氧合作用的传感器，这是伤口愈合的标志。集成的微处理器可以分析来自传感器的读数，以评估伤口的状况。如果检测到感染或炎症，即可临时激活内置于绷带中的加热响应元件。这可以提高凝胶的温度，使其在创口释放更多的抗生素。
2. 智能绷带
瑞士联邦材料测试与开发研究所（Empa）与瑞士苏黎世联邦理工学院、瑞士电子与微技术中心（CSEM）、瑞士苏黎世大学医院一起合作开发了一种智能绷带，它能够为护理人员提供伤口情况的相关数据。
3.柔性血氧计
加州大学伯克利分校Arias研究组（Arias Research Group）研制了一种交替印刷在柔性材料上的内嵌红光OLED和红外OLED的柔性传感器，这种传感器能够检测大面积的皮肤、组织和器官的血氧水平。通过跟踪血氧，OLED传感器可以帮助监测愈合伤口。
4. 柔性可穿戴离子型湿度传感器
中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽研究团队前期研发了可用于皮肤水分检测的柔性可穿戴离子型湿度传感器。研究团队结合MEMS微纳加工技术设计制备了具有微孔阵列为模板的电极芯片，采用一步电沉积法制备了大比表面积且可调控的三维金纳米结构离子／电子传导阵列电极，具有制备简单，重复性好等优势。
5. 可穿戴汗液传感器
加州大学伯克利分校的高伟博士团队，研发了全集成的可穿戴汗液检测设备。这项设备可以同时检测表皮温度和汗液里的汗液代谢物和电解质信息，并且用检测到的温度信息来校准其他传感器的读数。此外，高伟的可穿戴汗液传感器中柔性电路部分和传感器部分是可分离的，工作时可以非常方便的通过柔性印刷电路连接器连接，柔性塑料上制造的传感器电极部分的成本极低，因此可以在每一次运动之前安装新的传感器电极。
（二） 可植入传感器
可植入传感器是近年来出现的新型传感器，具有体积小、重量轻、生物相容性强等特征。可植入传感器一般自己供电并利用无线技术传输。与可消化传感器不同的是，可植入传感器通常植入皮下或器官中，获取用户的电生理或化学信号进行传输，重要用途在于精准监控生理信号有助于实现个性化医疗。传统的可植入传感器的难点是传感器本身不可降解长期存在体内损害体内周围组织或细胞造成二次感染，手术取出也会造成二次伤害，近年来生物降解的可植入传感器也在逐步走上舞台。
1. “体内GPS”——ReMix系统
麻省理工学院（MIT）的计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）研发的一项新技术，通过这项技术可以不依赖于内窥镜检查和外科手术，而是依靠传感器来帮助病情诊断以及指导药物管理，可以通过低功耗无线信号准确定位体内的可吸收植入物。今后，该技术实现后能够实现将药物输送到指定位置。
该项目由Dina Katabi教授领导，Remix系统又被描述为人体GPS系统。该系统旨在允许摄取标记物在体内的精确定位。这些传感器可能非常小，因为它们不需要内部电源，也不必自己制作无线信号。ReMix系统使用外部信号源制作无线电波，并结合可摄取的传感器标记，系统可以以厘米级精度跟踪标记。另外，ReMix系统的一个主要潜在用途是质子治疗，其允许磁控制的质子束精确地靶向肿瘤。问题是质子治疗现在只适用于某些不能移动的癌症。使用ReMix系统，质子束可以实时精确地转向，保护健康组织，并使质子治疗更广泛地用于对抗癌症。
2. 神经尘埃
加州大学伯克利分校的Dongjin Seo团队制造出长宽高3mm×0.8mm×1mm的神经尘埃传感器，它能够把身体之外广播的超声波脉冲机械能转换成电力。神经尘埃的技术是从无线供能的角度出发研发的一种神经遥感技术。神经尘埃传感器相关的研究可能有一天用于下一代的控制假肢、外骨骼和机器人以及大脑-机器接口来治疗大脑和身体的疾病。
3. 肿瘤纳米荧光传感器
德克萨斯大学西南医学中心的Baran Sumer等人发明了一种类晶体管的阈值传感器，它能够在正常组织中保持沉寂，但当它遇到实体肿瘤时，就会像灯泡被打开一样，发出光亮，使得外科医生在手术时能够更好地看清肿瘤。这项研究的原理是放大肿瘤细胞内的pH信号，使得肿瘤组织和正常组织之间的区分更加准确。这项新型数字纳米传感器引导的手术技术对病人来说有多方面的益处，包括能够更准确地移除肿瘤，能够更大程度上保留功能性正常组织等，这些益处既能提高生存率也能提高生活质量。
4. 可拉伸植入式应力应变传感器
斯坦福大学鲍哲楠团队一直致力于人工皮肤、可拉伸晶体管等相关方向的研究。最近，鲍哲楠和Paige Fox团队合作，研发了一种基于纯聚合物制造的高度可拉伸、全部可降解的植入式应变和压力传感器，专门用于肌腱损伤修复期的力学行为监测。这项研究为植入式电子器件在实时监测肌腱修复等医疗领域的进一步应用提供了全新的思路。
（三）可消化传感器
可消化传感器是近年来流行的新型传感器，通常利用可降解电子器件制成。一般的可消化传感器附着在只能药丸内部，由药丸本身或消化道液体相互作用供电，传感器工作时将检测的相关数据通过通信模块传输给智能手机或其他终端。相比传统胃镜、肠镜检查，可消化传感器成本低、使用方便，也可以减轻病人的痛苦。
1.气敏传感器胶囊
澳大利墨尔本皇家理工大学的Kyle Berean团队研发出一款气敏传感器胶囊，吞咽后可以实时检测肠道内氢气、二氧化碳和氧气的水平，并将信息发送到智能设备中。研究结果显示，传感器胶囊在测量肠道内的氢气浓度时具有高灵敏度和信噪比，为肠道气体的产生提供了有价值的信息，这也有助于监测消化道中微生物的活动，实时判断消化道的健康。同时，也将减少例如肠镜检查之类的侵入性操作的使用，减轻病人的痛苦。
2. 可消化微型麦克风
麻省理工学院Giovanni Traverso团队研发了一项通过在胃肠道放置一个微型的传感器来检测心率和呼吸频率的新技术。这个微型传感器本质上是一个被放置在病人服用的硅酮胶囊里的微型麦克风，可以通过监听心和肺部来进行心率和呼吸频率的计算。通过这个传感器可以提高治疗创伤和慢性病患者的评估，以及应用于监测特定领域的士兵，或者提高运动训练。
3. 可卷曲消化传感器
麻省理工学院的Giovanni Traverso与哈佛大学布莱根妇女医院的Canan Dagdeviren共同研发了一种灵活的可消化传感器。该传感器可以卷曲成药丸形状在服用后附着在肠壁或胃壁上来检测消化道节律性收缩，以帮助医生诊断胃肠疾病。同时也可以检测胃里的食物，帮助医生监测肥胖症患者的食物摄入量。该柔性装置基于压电材料，当其发生物理变形时，产生电流和电压供其运作，而不需要板载电池，降低了该系统的风险。该传感器还使用与人类皮肤弹性相似的聚合物，因此能与皮肤相适应，并随着肠道进行伸展和移动。
（四）新型生物传感器
1. DermalAbyss纹身墨水
由MIT与哈佛医学院合作完成的项目“DermalAbyss”，旨在使用生物传感器替代传统纹身墨水。这些传感器能通过改变颜色来反映出体内pH、钠和血糖水平的变化，以此让使用者了解到身体可能存在的问题。在DermalAbyss的帮助下，只需肉眼观察一下纹身的变化即可发现这三项生理指标的变化：当血糖升高时，纹身会从蓝色变成棕色；当钠含量增加时，纹身会变得更绿（在紫外线照射下）；从紫色变成粉色来显示碱性水平的变化。
2. 血糖监测隐形眼镜
名古屋大学新津葵一（Kiichi Niitsu）团队研发出了全球最小的发电检测一体型血糖传感器，可以实现无需外部无线供电的隐形眼镜式持续型血糖监测。葡萄糖发电元件的输出电压会随着与血糖浓度相关的泪糖浓度变化，通过半导体电路将输出电压转换成无线传输频率，就实现了同时发电和传感。能利用泪液中所含的糖（葡萄糖）生成1nW以上的电力。另外，发送数据的半导体无线发送器也成功实现了0.27nW（电源电压为0.165V）的驱动电力，约为以往的1万分之1。通过融合这2项技术，在监测泪液中所含的糖的同时，还能生成所需的电力。由此无需再使用供电用眼镜型终端，只需佩戴隐形眼镜就能持续监测血糖值。
3. 纳米呼吸传感器
麦考瑞大学的Noushin Nasiri研发出一种利用纳米材料制造的呼吸传感器，通过分析呼出气体中的标志物，可以检测多种疾病的病患。
4. 使用石墨烯检测癌细胞
伊利诺大学芝加哥分校化学工程系Vikas Berry与芝加哥大学医学院的临床外科助理教授Ankit Mehta开展合作对石墨烯进行研究，通过脑细胞与石墨烯的相互作用，可以辨别出高度活跃的癌症细胞，从而实现癌症细胞与正常细胞的区分。研究发现，正常细胞和癌症细胞分别与石墨烯发生相互作用，通过拉曼成像技术，可以分辨两种细胞的不同活性。高度活跃的癌症细胞能够让石墨烯表面的负电荷增大更多，释放出更多的质子。因此，癌症细胞对石墨烯晶格原子振动能量的影响程度不同于正常细胞。
研究发现石墨烯不仅可以用于区分正常星形胶质细胞与多形性成胶质细胞瘤，还可以区分革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌，或者用于检测镰状细胞。
根据市场研究公司 Grand View Research研究显示，2015 年全球医用传感器市场规模达到了 98 亿美元，预计到 2024 年市场规模可增至 185 亿美元。
医疗传感器经常被用于造价高昂的医疗器械，因此医疗电子传感器是具有高价值的一类传感器。智能医疗器械行业已被公认为是最有前景的医疗发展领域，整体行业属于快速发展的阶段。在智能医疗器械行业带动下，智能传感器的底层需求将会不断扩大。现在，我国在此领域还处于起步阶段，大部分依赖进口，但是未来随着技术不断成熟，医疗传感器市场将迎来爆发式增长。
在医疗市场增长推动、政策驱动、技术拉动的作用下，医用传感器的将越来越多地走进我们的生活。未来，在纳米技术的加成下，医用传感器将继续向着小型化，微型化，低功耗，低成本，高灵敏度，多功能，安全无毒，可降解的方向不断发展。
新型医用传感器信息汇总（不完全统计）
