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气体传感器在医疗行业中的应用
      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。
       和医疗行业比起来,整个传感器行业的产值可能还不到医疗行业产值的1/10,但医疗仪器非常依赖于传感器行业,因为人体内的生物量和用于治疗的药物和材料,都需要用传感器检测和在线监测。

医用氧气传感器
      目前,在医疗仪器的氧气测量中,对于医用氧气传感器的可靠性,是一个硬性需求。目前,非常常用的医用氧气传感器是电化学氧气传感器,即传统的氧电池。氧电池内部含铅(Pb),氧气进入传感器后,Pb逐渐被氧化成PbO2。所以,氧电池寿命只有1年左右。作为替代产品,有些医疗器械厂商开始使用顺磁原理的氧气传感器。顺磁氧传感器的工艺较复杂,价格也较高,但寿命长,是非消耗型的传感器,不用更换。另外,在各种人体组织的培养箱中,氧气传感器也是一个刚需。因为如果培养环境中氧气浓度过高的话,很可能导致所培养的人体组织参数达不到预想的效果,无法移植到人体中去。

医用二氧化碳传感器
       目前,在医用传感器领域,医用二氧化碳传感器的应用场合比较多,较为重要的应用包括呼吸机、麻醉剂和婴儿培养箱等,用于监控人体的生命体征。目前,主流的二氧化碳传感器的主要技术路线主要是非色散红外原理(NDIR)。

  医用二氧化碳传感器第二个重要的应用是测量幽门螺旋杆菌(Hp)。Hp可引起多种胃病,包括浅表性胃炎、胃溃疡、十二指肠溃疡、非溃疡性消化不良,发展到最后,最严重的就是胃癌。临床上检测Hp比较简单的方法是服用碳13标记的,或者碳14标记的尿素。服用完10到15分钟,病人体内Hp所产生的高活性尿素酶就会将尿素分解为氨(NH3)、13CO2或14CO2,少量13CO2或14CO2通过血液经呼气排出。通过二氧化碳传感器分析呼气中的13CO2或14CO2浓度,即可判断患者是否存在Hp感染。

  医用二氧化碳传感器的第三个重要应用是测量人体呼气末的浓度。人体在不憋气的情况下,呼气末的二氧化碳浓度大约是5.5%vol。呼气末5.5%vol所对应的这个时间点是很多医学测量的时间基准,所以能准确并且快速地对呼气末进行响应,是二氧化碳传感器的一个非常有价值的应用。

麻醉用红外氟醚气体传感器
       目前,在医学应用中,气体麻醉剂是氟醚类。例如,七氟醚就是当今比较优秀的麻醉气体,其使用量不断增长。麻醉用氟醚的浓度从百分之零点几到百分之几,因具体情况而定。其在线监测的方法为NDIR红外法,几乎每台麻醉机都要配备氟醚的分析仪。因为NDIR法的高可靠性、高精度、响应速度快和优异的长期稳定性能够满足医疗的需要,所以红外法是测量氟醚的技术。红外氟醚传感器用量大,基本上都由医疗仪器公司自己研发、制造。

呼气检测和诊断
       作为无创性、快速、廉价的检查手段,人体呼气检测越来越受到医疗界的重视,例如哮喘检测NO,乳糖不耐受H2检测,判定消化道内的微生物菌群的CH4检测,等等。这些检测不同气体,需要用到不同技术门类的气体传感器。

  比如,哮喘的病理基础是慢性气道炎症。呼出气中NO气体的浓度测定是一种无创性的、可重复的快速检测方法,可直接检测并立即得出结果。NO的浓度范围是0~100ppb(1ppb表示十亿分之一)。在病情恶化时,FeNO可升高,并与类固醇治疗前的嗜酸粒细胞性炎症和气道高反应相关。抗炎治疗后,则会迅速降低,提示治疗有反应,并可用于监测治疗方案。因此,FeNO测定增加了哮喘的检测手段,已被采纳到《全球哮喘防止创议》(GINA)哮喘管理方案中。

  用于FeNO检测性价比较高的传感器是电化学传感器。当然,这可不是普普通通的电化学NO传感器,要在复杂的人体呼出气体中检测出ppb级别的NO并非易事。不过,国内已经有医疗仪器公司实现了本设备的研发,并大量地在使用中。

一种可检测人体疾病的传感器
      韩国科学计算研究院(KAIST)材料科学与工程II-Doo Kim教授所领导的团队开发出了一种超级灵敏和高选择性的气体传感器,通过人类呼出的气体来诊断疾病。这项研究通过开发半导体金属氧化物纳米纤维传感器阵列,来对呼吸中的挥发性的有机化合物(VOCs)进行分析,达到实时诊断疾病的效果。
     VOCs对于疾病诊断的意义:我们每天呼出的气体中,除了水汽和二氧化碳以外,还包含一定数量的挥发性的有机化合物(VOCs)。对于呼出气体中的特殊VOCs进行检测,可以为疾病的早期诊断提供有效的信息。例如,丙酮,H2S,氨以及甲苯可以用来评估糖尿病,口臭,肾亏,和肺癌。人类肺部和血液的会进行分子交换,所以呼出气体的VOCs浓度变化,可以某些疾病的生物标定物,来判断一个人是否生病。
呼出的气体分析的示意图
     使用可以对呼出气体中各种成分例如硫化氢,丙酮,甲基硫醇的进行模式识别分析的纳米纤维,诊断疾病和口臭。
     传感器阵列的基本工作原理:传感器阵列可以利用气体的吸附作用,通过表面特殊表面区域和多孔纳米结构,来产生大的电阻变化。特别是高选择新的生物标定物感应,通过不同功能化贵金属催化剂例如Au,Pt,Pd和Rh,基本上形成了多传感器阵列来分析人类呼出气体。这些传感器阵列可以集成到便携式设备上,来实时提供物理条件的监测。这项技术和各种智能手机,可穿戴电子产品,和医疗设备兼容。
      使用实时呼吸分析技术的各种便携式传感器平台,例如电子狗传感器模块,可穿戴的传感器模块,手表的传感器模块。

小贴士

不同的气味预示着不同疾病!
01
烂苹果味——糖尿病
糖尿病患者酮症酸中毒的特征。因为糖尿病人的新陈代谢都不太稳定,大量的脂肪在肝脏中会氧化成酮体,并且会扩散到全身的血液中,这样就会导致呼出的气体中也带有丙酮这种物质。糖尿病患者的身上带有烂苹果的味道。
02
尿骚味——慢性肾病
尿骚味是尿毒症患者发出的典型气味。患有慢性肾炎等各种肾病的患者,当病情进展到慢性肾功能衰竭阶段(也就是人们常说的尿毒症)时,由于少尿或无尿,某些代谢废物(主要是尿素氮和肌酐等)不能排出体外而潴留于血中,会使人呼出的气体散发出尿味或氨味,这是病情较危险的一个信号。
03
肝臭味——急性肝炎
肝臭味患肝癌或急发性肝炎等人,常发出肝臭味。这表明肝脏功能已受到严重损害,是疾病危重的表现。这是因为甲基硫醇和二甲基二硫化物不能被肝脏代谢,在体内聚集而发出的一种特殊臭味。
04
烂白菜味——酪氨酸代谢障碍
这类患者由于体内缺乏酪氨酸转化酶,导致酪氨酸代谢障碍而潴留于血液中,身体便会发出一种类似烂白菜的怪味。病人一般表现为生长发育缓慢,并且容易并发佝偻病、肝功能不全以及低血糖症,常可发生低血糖晕厥或抽风。
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慧闻科技电子鼻
       慧闻科技基于在气敏材料开发、低功耗气体传感器阵列研发和模式识别算法研究方面的积累,成功开发了一款电子鼻,并且应用于智能家居、食品品质控制、环境检测、健康医疗检测等领域。

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