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技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

2019-03-14 17:24:58 来源:思宇医械观察 点击:371

【大比特导读】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。

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

(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。

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

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。

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

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。

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

按应用形式分类

二、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。

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

智能创可贴

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。

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

智能绷带

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。

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

柔性血氧计

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。

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

柔性可穿戴离子型湿度传感器

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。

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

可穿戴汗液传感器

(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。

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

科学家们使用Remix系统进行实验

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。

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

 

技术要革医疗的命?盘一盘那些新型智能医用传感器

 

神经尘埃

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