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生物医学传感器的临床应用

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31《中国医疗器械信息》2008年第14卷第7期 Vol.14 No.7

技术综述Review

文章编号：1006-6586(2008)07-0031-02 中图分类号：TP212.3 文献标识码：A

收稿日期：2008-06-23随着科学的发展和其他学科的渗透以及生物医学

学科的进步，使医学学科进入一个新阶段——定量医

学。从定性医学到定量医学的发展过程中，传感器起了

重要作用。传感器延伸了医生的感觉器官，扩大了医生

的观测范围，并把定性的感觉扩展为定量的测量。目前，

传感器已成为生物医学测量、数据处理中不可缺少的关

键部分。可以说传感器的作用和地位就相当于医生的五

官，要提取和捕捉生物体内各种生物信息，需要依靠各

种各样的传感器。由图1可知，传感器是医学测量系统

的第一个环节，医学仪器通过其与人体直接耦合。肠内压、胃内压、膀胱压及肺泡压等。所采用的传感器大

体上属于同一类型，只是量程不同。基本结构中都包括一

个弹性膜片，它将压力信号转化为膜片的变形，然后根据

膜片的应变和位移，将其转换成相应的电信号输出。(2) 心音传感器：在心脏的收缩和舒张过程中，血管的

振动传到胸腔表面就是心音。另外，人体内部还有一些

器官也会造成音响，例如呼吸时支气管与肺膜产生的

声音、肠蠕动的杂音、孕妇的子宫杂音、胎儿的心音等。

所有这些声音，对疾病的诊断都是非常有价值的。医用

心音传感器总的来说分为空气传导式和直接传导式。由

于空气传导式心音传感器需由气室和一般传感器组合而

成，虽然简单易行，但其灵敏度低，且易受周围噪声的

干扰，所以临床上使用的大多是直接传导式心音传感器。(3) 血流传感器：与压力检测一样，流量的检测也是生

理研究和临床诊断上最常应用的工程手段之一。其中

最常用的是血流的测量，另外还有一些流量也是临床

上需要测量的重要参数，如与呼吸功能密切相关的气

流量、与肾功能密切相关的尿流量等。临床中通常采

用阻抗法来获得心血流图、脑血流图、肺血流图、肾

血流图以及肢体血流图等。(4) 温度传感器：体温是机体不断进行新陈代谢和自动

调节的结果，许多生理过程的进行又都受到体温变化的

影响，所以测量人体各部分的温度，是临床诊断各种疾生物医学传感器的临床应用

安媛 中国矿业大学资源学院 (徐州 221116)

内容提要： 生物医学传感器，作为生物医学工程学中的重要分支，是获取人体生理和病理信息的工具，可将被测的生理参数转换为与之相应的电学量输出，为临床诊断的研究和分析提供所需的数据。

关 键 词： 生物医学传感器 用途 临床应用

The Clinical Application Of Iatrical Biosensor

AN Yuan China University of Mining and Technology (Xuzhou 221116)

图1 医学测量系统框图

1 物理传感器的临床应用

物理传感器是检测物理量的传感器，利用某种物

理效应，把被测物理量信号转换成为便于处理的能力

形式的信号(通常是电信号) ，用于测量血压、体温、

血流量、血粘度、生物组织对辐射的吸收、反射或散

射以及生物磁场等。(1) 压力传感器：在临床诊断、外科手术和病人监护中，

人体内各种压力参数的准确测量往往是至关重要的，同时

它也是控制和解释某些生理研究实验不可缺少的信息来

源。医学上通常测量的压力参数有血压、颅内压、眼内压、Abstract: Iatrical biosensor, as an important embranchment of biomedicine engineering science, is the most important instrument to gain zhe various physiological informations and pathological informations of God's image. The physiological parameters, measured from our body , will be transformed to relevant electrical parameters to export by using zhe iatrical biosensor. This transformation could afford more data for zhe study and analys of relevan diagnoses.Key words: Iatrical Biosensor, Purpose, Clinical Application.32《中国医疗器械信息》2008年第14卷第7期 Vol.14 No.7技术综述Review

病的重要依据。临床上根据不同的要求，选用不同测量

原理和测量方法的温度传感器。目前可供选择的温度传

感器非常多，其中最常见的温度传感器按测量原理来分

类，有热电偶式、热电式、PN结型、液晶式、热辐射式等。

2 化学传感器的临床应用

化学传感器通常指基于化学原理、以化学物质成

分为检测对象，用于测量人体体液中离子的成分或浓

度、pH值、氧分压、及葡萄糖浓度等。目前这类传感

器主要是利用敏感材料与被测物质中的离子、分子或

生物物质相互接触而产生的电极电位变化、表面化学

反应或引起的材料表面电势变化，并将这些反应和变

化直接或间接转换为电信号。

化学传感器在临床医学中的应用主要有两个方面：

一是非连续性的样品检验；二是对人体一些生化指标

进行连续测量。(1) 样品检验：化学传感器中的离子传感器已用于对人

的唾液、脑髓液、脊髓液、血液、汗液、尿液等的日

常化验中，检测这些体液中的氢离子、钾离子、钠离子、

氯离子等的浓度(活度) 。化学传感器是临床上对人体

血气酸碱平衡状态进行监测、评价的主要工具，特别

在抢救危重病人、重大手术、体外循环、人工肾、心

导管和器官移植等方面具有重要意义。(2) 连续测量：化学传感器在医学中的一个重要应用方

面是连续性监测，这对于各种临床检验，特别是负荷

试验这一类的动态测量以及麻醉、手术及各种治疗中

的监护(尤其是伴随物质交换的人工脏器治疗及ICU、

急救等场合) ，还有术后患者和慢性患者的无拘束检测

以及植入式人工脏器的控制等均具有重要价值。化学

传感器的应用方式灵活多样，可安放在体表，可穿刺

人体内，可插入血管，植入体内组织，也可安置在体

外循环回路及治疗设备和人工脏器内。

3 生物传感器的临床应用

生物传感器是指由生物活性材料与相应转换器构

成，并能测定特定的化学物质(主要是生物物质) 的传

感器。生物传感器可以测定医学诊断中重要的体内代

谢物、蛋白质、抗原；使用DNA为分子识别元件，用

于胎前期诊断，高灵敏度测定微生物污染程度，并可分析动植物染色体中是否存在异常基因物质。(1) 葡萄糖含量测定：血中葡萄糖的量是准确诊断和治

疗糖尿病及其他代谢失调疾病的重要检测指标。常规

方法如邻甲苯胺法、葡萄糖氧化酶法均属于比色测定

法，操作麻烦，干扰严重。而生物传感器方法则简便

快捷，检测结果准确可靠。目前，葡萄糖传感器所用

的酶都是GOD，传感器输出信号主要是电流信号。在

测定方法上，除用氧电极测定氧气在反应中的消耗量

外，还可根据H2O2在阳极上的氧化，测定反应中H2O2的生成量，进而测得葡萄糖含量。(2) 乳酸含量测定：快速、准确测定体液中乳酸的含量是

临床诊断的必需项目。有4种不同酶可用作测定乳酸的电

流型生物传感器的敏感材料，它们是乳酸脱氢酶(LDH) 、

细胞色素b2、乳酸氧化酶(LOD) 和乳酸单加氧酶(LMO) 。

采用LDH酶促反应测乳酸的乳酸传感器，使用中

易被NADH或电子传递体所玷污。基于LMO(一种脱

羧酶) 的生物传感器容易因为缓冲液中和样品中氧含量

不同引起问题，而基于细胞色素b2的传感器研究尚处

于实验室阶段。用固定化的LOD和H2O2电极相结合

则是测定乳酸的较适合的传感器，此类已达实用化的

传感器可测定全血、血浆和脑脊液中的乳酸，和传统

比色法相比较的相关系数可达0.99。(3) 药物传感器：药物传感器是指以生物材料样品(血、

尿等) 中的药物为测量对象的生物传感器。近年来，了解

药物在血中的浓度，在投药量最适合化方面颇具意义，因

此，测定治疗过程中药物的浓度，越来越受到重视。根据

生物传感器的原理，可用酶传感器检测青霉素，用微生物

传感器检测头孢菌素，用酶免疫传感器检测胰岛素、碱基等。

目前，药物传感器的应用还只限于离体生物材料

中药物浓度的测量，相信在不久的将来，药物传感器

的开发和实用化，会向在体连续测定的方向发展。

参考文献

[1] 彭承琳 《生物医学传感器——原理与应用》 重庆大学出版社，1997[2] 何伟仁 《传感器新技术》 中国计量出版社，1989[3] 刘广义 《几种新型传感器——设计和应用》 国防工业出版社，1988[4] 方培生 《传感器原理与应用》 电子工业出版社，1991[5] 刘泽民 《医学检验仪器学》 重庆大学出版社，1991[6] 甘心照 《现代医用检验电子仪器》 南京大学出版社，1993 ■

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生化传感器原理及其在医学诊断中的应用

生化传感器原理及其在医学诊断中的应用

生化传感器原理及其在医学诊断中的应用

生化传感器是一类用于检测生物体内某种物质的传感器，其原理是通过特定的化学反应将目标物质转化为电信号或光信号，进而测量其浓度。生化传感器广泛应用于医学诊断、生物监测、环境检测等领域，其中在医学诊断中的应用尤为重要。

一、生化传感器原理

生化传感器包括一种或多种生化反应元件和信号转换模块，生化反应元件是指能够与所检测物质产生特异性反应的生化分子，如酶、抗体、核酸等，而信号转换模块则是将生化反应中产生的信号转化为可读取的电信号或光信号。

最常见的生化反应是酶反应，其中一种常用的方法是酶催化反应。例如，在葡萄糖检测中，葡萄糖氧化酶能够使葡萄糖与氧气反应并生成过氧化物，过氧化物可以被还原成氢氧离子，从而产生电流。而在蛋白质检测中，抗体可以与相应的蛋白质结合，并激活信号转换模块。

二、生化传感器在医学诊断中的应用

生化传感器在医学诊断中有广泛的应用，包括酶传感器、抗体传感器、核酸传感器等。

1. 血糖传感器

血糖传感器是一种基于葡萄糖氧化酶的传感器，在糖尿病患者中应用广泛。糖尿病患者需要不断监测血糖水平，并进行调整，以控制疾病进展。血糖传感器可以通过测量体内的葡萄糖含量来快速、准确地评估患者的糖尿病状态。

2. 肿瘤标志物传感器

肿瘤标志物传感器通常是一种基于抗体的传感器，通过识别肿瘤标志物来检测某种类型的癌症。在临床实践中，肿瘤标志物可以用于癌症的诊断、监测疾病的进展以及预测疾病的预后等方面。

3. 检测微生物传感器

微生物检测传感器通常基于核酸技术，用于检测微生物DNA和RNA。这种传感器的应用范围广泛，包括感染病菌的检测、污染源的筛查等领域。此外，该传感器也可以用于诊断遗传性疾病，如伴随有害基因的疾病，基因突变所引起的疾病等。

4. 心肌梗塞传感器

心肌梗塞传感器是一种基于酶的传感器，它可以检测心肌梗塞发生后体内的酶水平升高。在发生心肌梗塞后的早期，血液中肌红蛋白和肌酸激酶等酶活性明显升高，可以通过生化传感器进行快速检测，以及对病情进行评估。

生物医学中的光学传感器技术

生物医学中的光学传感器技术

生物医学中的光学传感器技术

随着科技的不断发展，光学传感器技术也在逐渐崛起，并成为了应用广泛的生物医学技术之一。光学传感器技术是指使用光学原理来检测和分析物质的传感技术，它已经在生物医学领域得到了广泛应用。以下将介绍光学传感器技术在生物医学领域的应用。

一、生物成像技术

生物成像技术是光学传感器技术最重要的应用之一，它利用光学传感器来扫描组织表面，从而进行无创、无损、实时的体内成像。生物成像技术主要分为荧光成像、双光子显微镜成像和光学相干层析成像等多种形式。这些成像技术的出现，为生物医学研究和临床诊断提供了非常有效的手段。

荧光成像技术是一种基于荧光信号的生物成像技术，它能够在活体组织中实现高分辨率的细胞成像和分子成像。双光子显微镜成像技术则是一种基于非线性光学过程的生物成像技术，它能够实现更深层次的体内成像，并提供更高的成像分辨率。而光学相干层析成像技术则是一种可实现非透明组织结构成像的生物成像技术，它能够在三维空间内获得组织的结构信息。

二、荧光探针技术

荧光探针技术是应用光学传感器的另一种重要手段。生物医学中的荧光探针常用于疾病检测和药物治疗等方面。它通过使用荧光探针来实现对生物分子的检测和成像，从而为疾病诊断和药物治疗提供重要的帮助。

目前，许多荧光探针已经被开发出来应用于临床实践中。例如，生物医学中常用的光学传感器有用于标记蛋白质的荧光探针，例如蛋白质分子靶向光学传感器和荧光标记的抗体，以及用于检测疾病的DNA探针和RNA探针等。

三、生物传感技术

生物传感技术是基于生物体系之间物理、化学、免疫等反应原理设计和制造的一类传感器。生物传感技术利用光学传感器的敏感性和高灵敏度来检测生物分子和细胞等生物体系之间的相互作用，从而实现对生物体系的检测和分析。

在生物医学中，生物传感技术被广泛应用于疾病诊断、监测和药物筛选等方面。例如，在血液中检测肿瘤标志物、抗体和药物浓度等方面，生物传感技术已经成为一种非常有效的诊断手段。

生物传感器的原理和应用

生物传感器的原理和应用

生物传感器的原理和应用

随着生物技术和纳米技术的发展，生物传感器逐渐成为了现代科技发展的一个热门领域。生物传感器是一种能够通过检测微小生物体、生物反应或生物元素来测定生物活性的设备，随着生物传感器应用范围的不断扩大，其体积持续缩小，功能持续增强，越来越多的领域在使用生物传感器来提高生产效率和科技水平，到目前为止，其广泛应用于医学、环境监测、食品安全等领域。

一、 生物传感器的原理

生物传感器是通过生物体与物理和化学学科结合而产生的一种新型传感器，其通过生物体与物理和化学学科的相互作用，能够检测出微小的生物体、生物反应以及生物元素，实现对生物活性的测定。其原理主要有光学测量法、电化学测量法、物理测量法和生物测量法等。

1. 光学测量法

光学测量法是通过感应光学信号来测量生物体的活性，光学测量法广泛应用于荧光、光电能量转换、折射以及散射等领域。在生物体感应光学信号的过程中，需要使用光源来激发或检测生物体发生的光学效应，从而实现测量和识别生物体。

2. 电化学测量法

电化学测量法是通过测量物质与电解液之间的相互作用来测量生物体的活性，电化学测量法主要涉及到电导、电位和电荷等方面，通过对电化学效应的测量，可以实现对生物活性的测定。电化学测量法广泛应用于电分析化学、电分析生物化学、电分析医学等领域。

3. 物理测量法

物理测量法是通过测量生物体生成的物理效应来测量其活性，例如温度、压力、声波、磁场等。物理测量法的测量基于物理学原理，在生物组织、生物胶体颗粒、生物膜等方面具有广泛的应用。

4. 生物测量法

生物测量法是通过测量生物内部的生理和生化过程来测量其活性。生物测量法需要根据生物的不同特征，采用不同的测试方法来测量其活性，例如重金属离子浓度的测定、生物酶迅速检测等。

二、 生物传感器的应用

生物传感器的应用领域主要包括医学、环境监测、生化工程、食品安全等多个领域。

1. 医学领域

生物传感器在医学领域中应用广泛，例如在血糖检测、蛋白质检测等方面都有一定的应用。在血糖检测中，生物传感器应用于感测患者血液中的葡萄糖含量，从而实现对患者的血糖水平进行监测。在蛋白质检测中，生物传感器可以检测蛋白质的存在、浓度和特定结构等信息，从而在众多生物体内监测蛋白质变化，帮助医生进行病情诊断。

微机电系统在生物医学领域的应用研究

微机电系统在生物医学领域的应用研究

微机电系统在生物医学领域的应用研究

微机电系统（MEMS）是一种将微观尺度结构与微电子技术相结合的新兴技术，在生物医学领域中具有广泛的应用潜力。本文将探讨微机电系统在生物医学领域的应用研究，并从传感器、生物芯片以及生物医学成像方面展开论述。

一、传感器应用

微机电系统在生物医学领域最常见的应用之一是传感器。传感器能够检测和测量生物体的特定参数，帮助医生进行精确的诊断和治疗。例如，血糖传感器是一种常见的微机电系统传感器，可以监测糖尿病患者的血糖水平。通过将传感器植入皮肤下，患者可以随时监测血糖变化，并采取相应的治疗措施。此外，压力传感器、体温传感器等也广泛应用于生物医学领域，为医生提供重要的生理参数。

二、生物芯片应用

生物芯片是另一个微机电系统在生物医学领域的重要应用。生物芯片可以用于快速、精确地检测和分析生物样本中的生物分子。例如，基因芯片可以检测人体中的基因表达谱，帮助科学家理解基因与疾病之间的关系。此外，蛋白芯片可以检测蛋白质组成，并用于药物研发和肿瘤标志物的检测。微机电系统的微小尺寸和高度集成的特点使得生物芯片能够在短时间内完成大量的实验，为生物医学研究提供了重要的工具。

三、生物医学成像应用

微机电系统在生物医学成像方面的应用也日益重要。微机电系统的高分辨率和高灵敏度使得它能够用于制造微型生物医学成像设备。例如，光学显微镜、红外成像和超声波成像等技术都可以通过微机电系统实现微小化和集成化。这些微型成像设备具有无创性、高分辨率和实时性等优势，可以被广泛用于疾病的早期诊断和治疗监测。 虽然微机电系统在生物医学领域的应用带来了许多好处，但也存在一些挑战和限制。首先，微机电系统的制造过程相对复杂，需要高度的工艺技术和设备。其次，由于其微小尺寸，微机电系统在稳定性和可靠性方面存在一定的困难。此外，微机电系统的应用还面临着临床实际应用的挑战，如相关法规和规定的制定以及普及率等问题。

总结一下，微机电系统在生物医学领域的应用研究涵盖了传感器、生物芯片和生物医学成像等方面，具有广泛的应用前景。随着技术的不断发展和突破，相信微机电系统将在未来为生物医学领域带来更多创新和突破。尽管目前存在一些挑战和限制，但随着人们对微机电系统的深入研究和理解，相信微机电系统将在生物医学领域发挥更大的作用，助力患者获得更好的医学保健。