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医用传感器的应用及发展前景

传感器就在我们身边,现在传感器正在转向医疗保健,领先的是用于监测葡萄糖和生命体征的医用传感器,传感器将改变医疗保健网站,智能传感器将启动适当的响应,包括治疗。

传感器是什么?

传感器是检测物理、化学和生物信号的装置,并为这些信号的测量和记录提供了一种方法。可以感知的物理特性包括温度,压力,振动,声级,光强度,载荷或重量,气体和液体的流速,磁场和电子场的振幅,以及气态,液态或固态中的许多物质的浓度形成。虽然今天的传感器和1970年的计算机一样,但是由于微芯片技术和分子化学的进步,传感器的医学应用正在起飞。

传感器在许多行业中发挥了重要作用,提供了用于计数,分类,阅读和机器人引导的机械“视觉”。触觉传感器,通常是压电材料,在触摸,挤压或弯曲时或在温度变化时产生电压。其他传感器可以检测特定的化学压力和液位。汽车,家庭和办公室都装有传感器。在短期内,医疗应用中使用的传感器将发出信号,该信号可以在确定点读取或通过有线或无线传输到远程位置。微处理器技术的进步创造了一种智能传感器,将传感能力和数据处理结合在一个集成电路芯片中。下一步是将传感和处理与执行器(如微机电系统)结合起来。


医用传感器的结构图

传感器处于最前沿

工业中使用的许多传感器技术可以应用于医学,并且在未来,随着独特的传感器和依赖于传感器的微机电系统的设计和测试,非医疗行业将使它们适用于工业应用。在医疗领域,信息技术和生物技术之间的交叉点越来越广泛,传感器,信号传感器,执行器和微机械的作用也将日益扩大。新一代医疗传感器的一些例子表明这些设备在许多医疗保健领域将具有新的作用:

1.用于连续监测和记录糖尿病患者组织葡萄糖浓度的皮下系统在美国刚刚获得批准。下一代植入式葡萄糖传感器将提供可从远程手持设备或台式机读取的连续值。

2.一个看起来像手表的葡萄糖传感器位于皮肤上并产生小的电击,其打开毛孔以便可以提取液体以监测组织葡萄糖浓度。

3.日本公司Toto的工程师设计了一个厕所,用于分析尿液的葡萄糖浓度,记录体重和其他基本读数,并自动通过调制解调器向用户的医生发送每日报告。

4.新的微型工具可以使用微型传感器(18 mm×8 mm×8 mm)测量三维的解剖结构和运动,可以收集空间数据,以准确重建心脏,血管,胃和其他器官的超声图像。

5.闭环装置(VIA Medical,San Diego,CA,USA)现在可用于重症监护病房的新生儿的血液分析。通过留置线,血液通过化学传感器循环,在一分钟内分析,并返回,新生儿没有血液损失。

6.科学家们开发了一种用于检测生物武器的轻型全自动系统。该系统使用荧光抗体,二极管激光,纤维光学和光电探测器来发现空气中的细菌。

7.病原体也可以通过另一种生物传感器检测,该生物传感器使用集成光学,免疫测定技术和表面化学。传感器传输的激光变化表明存在特定细菌,这些信息可在数小时内获得。


医用传感器组件

8.澳大利亚团队开发了一种高度稳定且灵敏的生物传感器,通过切换脂质膜中的离子通道进行操作。激活后,生物受体如抗体和DNA将化学事件转化为电信号。一个研究小组报告说,它可以衡量将一个糖块放入悉尼港的糖含量的增加。

9.下一代心脏起搏器将通过接收身体各个部位的读数(例如血液中的氧饱和度和心脏壁压力)变得“聪明”,从而允许心脏起搏器使心脏的起搏适应那些实时读数。

10.聚合物晶片可以用治疗剂饱和,例如药物或胰岛素。10在后一种情况下,晶片包含,使所述晶片以改变胰岛素的pH和溶解度响应于血糖浓度的变化的酶。在动物身上测试的智能晶片使用磁力或超声波来改变药物剂量或转换为另一种药物。

11.约翰斯·霍普金斯研究所的科学家和工程师开发了一种生物芯片光电传感器,可以作为人工视网膜植入眼内,用于黄斑变性和视网膜色素变性患者。

12.引起耳,鼻和喉咙感染的细菌可通过电子“鼻子”立即识别,该鼻子可检测并区分细菌滋生的气味。

13.全世界有超过2万人植入了听觉传感器,这些传感器绕过听觉机制的无功能部分。第一个成功与人脑接口的设备已经完全植入,其电池可通过便携式感应充电装置进行数字编程和充电。

医用传感器的应用

如果说传感器将在短期内对医疗保健产生革命性的影响,这种说法言过其实,但在10年内是现实的。传感器技术将在未来移动医疗服务提供的地方,改变医院、门诊站点、家庭和家庭之外流动项目的角色。


医用传感器应用

医院

大厅天花板上的通风口将是一个空气监测器,它可以检测并报告任何可能将空气传染给病人的访客。其他传感器将被安置在水槽中,以便医护人员和访客在进入病房前后洗手。任何载体都将被手持式生物传感器扫描,该传感器可以识别特定的生物体及其敏感模式。

中央实验室将不复存在。不太频繁的测试将在区域设施中进行。细菌学实验室将被手持式生物传感器取代,其中一些起到电子鼻的作用,另一些可以检测和表征痰液、尿液和其他分泌物中的微生物。生物化学实验室也将消失,取而代之的是每位患者佩戴或植入的化学传感器。对于急性病患者,类似的化学传感器阵列将成为输液导管和病床的组成部分。授权人员可以在任何站点的设备上读取数据。

手术室,轮床和医院病床使用的桌子将是同一件设备,将由机器人轮转。创伤和运输装置(LSTAT,诺斯罗普格鲁曼公司)的精密生命支持设计用于在战场条件下使用并在世纪之交后商业化,是这种移动床的先驱。该装置将航空航天材料,信息处理和集成系统技术结合在一个能够实现自主功能的单元中。通过使用嵌入式传感器,床可以监测生命体征和血液化学,并且还可以在传感器的控制下提供机械通气,抽吸,血管内输注和心脏除颤。患者可以留在该单元进行外科手术和恢复,同时通过智能传感器连续监测,智能传感器可以响应患者的变化激活同步抑制程序。将不再需要中央重症监护病房来监测急性病患者或接受过手术的患者,从而降低交叉感染的风险。

手术室里使用的桌子、轮床和病床都将是同样的设备,由机器人推来推去。为创伤和运输单元设计的先进的生命支持系统(LSTAT,诺斯罗普·格鲁曼公司),设计用于战场条件下,并在世纪之交后商业化,是这种移动床的先驱。该仪器将航空航天材料、信息处理和综合系统技术结合在一个具有自主功能的单元中。通过使用嵌入式传感器,该床可以监测生命体征和血液化学反应,并配备了在传感器控制下提供机械通气、吸力、血管内灌注和心脏除颤。病人可以留在这个单元进行外科手术和康复,同时由智能传感器持续监测,这些传感器可以根据病人的变化激活同时静止程序。不再需要中央重症监护病房来监测重症患者或已做过手术的患者,从而降低交叉感染的风险。

心导管实验室将进入分子心脏病学时代。由于药物已经降低了动脉粥样硬化的发生率,并能溶解斑块和血栓,因此需要冠状动脉血管成形术的患者数量已经减少了。相反,由传感器引导的导管将被用于向缺血和受损的心肌输送血管生成因子和培养的心肌细胞。一些病人正在接受基于传感器的新型微型机器的治疗,这种机器可以清除冠状动脉中的斑块。

门诊部位

提供智能心脏起搏器,人工视网膜和化学传感器的患者将在当地的门诊初级保健诊所看到。医生或护士将获得有关患者血液化学,心电图,血压和体温的信息。由于植入了智能葡萄糖传感器或胰岛素储库系统,糖尿病患者将不会出现与糖尿病相关的问题。一名看似健康的输血相关艾滋病的老年妇女将通过一个智能病毒计数传感器进行管理,该传感器与植入的含有药物的储存器相结合。智能传感器或药物储存系统在管理患者方面同样有效,患者的躁狂抑郁症功能现在由化学传感器调节,该传感器检测到初始化学不平衡并促使注射适当的药物。

家庭保健

远程医疗和传感器技术将把门诊实验室和医生的手术转移到起居室。交互式视频会议,教育计划和各种传感器将提供远程医疗保健。患者不需要告诉护士他们的体重,因为护士会在手持设备上看到它,生命体征和血液化学值。护士将能够告知患者他们的厕所是否在他们的尿液中报告了细菌,并且药房将相应地提供处方。

门诊治疗

智能血压传感器将管理高血压患者的药物,当心脏功能和生命体征的集成传感器指示意外问题时,立即向中央监测单元发出警报。肠易激综合征患者的腹泻发作将在他们开始进化时被检测到,患者将能够通过按压药物填充的皮下储库突然终止这些腹泻。

最后的想法

在10年内,生物传感器将导致护理场所和输送系统配置的变化。在许多情况下,护理质量将得到改善,患者可以在家中进行管理。医院将以不同的方式运作,以及更安全和有效。然而,这些进步将是昂贵的,并且在世界许多地方都无关紧要。用于预防影响全世界数百万人的共同疾病的新型和更好的疫苗将比未来十年开发和制造的所有传感器对人类带来更大的益处。

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