更新时间：2024-07-05 23:00
生物医学传感技术是有关生物医学信息获取的技术，也是生物医学工程技术中的一个先导和核心技术，它与生物力学、生物材料、人体生理、生物医学电子与医疗仪器、信号与图像处理等其他生物医学工程技术直接相关．并是这些技术领域研究中共性的基础和应用研究内容。生物医学传感技术的创新和应用的进展直接关系到医疗器械，尤其是新型诊断及治疗仪器的水平，因此，国际上将该技术的研究与推动放在非常重要的地位。
根据要检测的人体生理信息的种类，生物医学传感器可以分为：物理量、化学量和生物量传感器三大类，如下表所示：
生物医学传感技术的基础研究是阐明传感器的分子识别机理与掌握多种器件与材料界面反应过程的细节，前者是提高信噪比的依据，后者是缩短响应时间的关键。此外，传感技术又是一门技术科学，要把基础研究的成果变成产品必须重视工艺革新，各种加工工艺包括精密机械加工、半导体工艺、化学腐蚀以及生物技术等新技术的应用，特别是多学科的交叉与融合。
敏感材料与基质材料相结合构成传感器的核心部件—敏感膜。对于常用的成膜技术，物理传感器是采用半导体中的薄膜、厚膜及分子束外延等技术，化学传感器常用物理吸附及包埋、化学交联与分子组装等。在生物传感技术中，多酶体系膜、单克隆抗体膜、介导体膜与单分子成膜技术等发展快速。
美国和欧洲自70年代陆续举办的传感器（Transducer）国际大型会议、生物传感器（Biosensors）国际会议以及化学传感器（Chemical Sensors）等国际会议都是每2年举行一次。国际性传感器专业杂志有著名的“Biosensors & Bioelectronics”，“Sensors and Actuators A(Physical)、B(Chemical)”以及“IEEE Sensors Journal”等。国际著名综合性杂志“Nature”、“Science”以及“Cell”等著名刊物刊载了众多开创性的生物医学传感技术论文，生物医学传感器的专利日渐增多。国内在《中国生物医学工程学报》、《仪器仪表学报》、《传感技术学报》、《生物医学工程学杂志》、《传感器技术》、《分析化学》、《化学传感器》、《国外分析仪器》等刊物以及全国性的敏感元件与传感器、化学传感器、气湿敏传感器以及微系统与微纳米技术等系列学术会议都报道有大量专业和创新性的生物医学传感技术论文。
生物医学传感器及以此类传感器为依托的众多医疗器械早巳形成规模经济，曾经被认为是难以实用化的生物传感器，现已有很多种产品进入市场。为了加速生物医学传感技术的发展，在国际竞争中取得领先地位，工业化国家成立了各种传感技术中心，例如美国的斯坦福大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校等著名大学都设有以传感器为重点的技术中心或实验室，德国的马普实验室、日本东京大学的传感器尖端技术中心、荷兰Twente大学欧洲传感技术中心以及俄罗斯圣彼得堡大学的化学传感技术实验室等。
目前在生物医学传感器的分类上是作为一类特殊的电子（或光学）器件，实际上它比一般的电子或光学器件要复杂得多，这是由它本身的许多特点所决定的。
设计、制作与应用传感器，涉及一系列的科学与技术。以化学传感器为例，设计敏感材料需要涉及量子化学、纳米科学等学科。合成这些材料需要熟悉超分子化学、主一客化学、分子筛化学、生物技术等。成膜技术需要理解表面化学、界面物理与分子组装技术。研制转换器件需要用到微纳电子技术、光电子技术以及精密机械加工技术等。
因为这类传感器的应用对象是人，必须万无一失。在美国这类传感器用于临床需经食品与药物管理局(FDA)正式批准，要求极为严格，需要证明长期使用对人体无害、无副作用，用以提供的监测数据应绝对可靠。测量体液的传感器应能抗体液的侵蚀并易于清洗，在体测量或植入式传感器应与组织有良好的生物相容性且能防止排斥反应，所有这些都要求生物医学传感器具有高稳定性、高可靠性。
高精度的传感器离不开精细的工艺，例如基于微纳电子集成技术制成的微纳传感器，需要特殊的半导体以及高分子聚合物的加工技术，能在长时间的浸泡中不产生渗漏与变形，敏感膜与器件表面的耦合需要精细的工艺，微纳电极的制备需要借助精密仪器，需要机械方法与化学方法的密切配合。一只好的传感器既是一项产品，也是一项工艺品。
目前生物医学传感技术的主要应用领域举例如图1所示：
1) 生物医学图象：传感器的应用不仅使计算机在生物医学图像（超声、CT、MRI等）的应用变为可能，而且使得计算机辅助图象处理进入传统的图像领域。
2) 便携诊断仪器（如血压计、温度计、血糖仪等）：目前使用广泛，低成本的商业实用性主要是基于传感器的应用。数据存储和处理使临床和测量参数的非固定监控成为可能。
3) 介入式测量：传感器的微型化使血管内的参数（如血压，温度，流速）的直接连续监控成为可能，这是临床诊断新的实用工具。虽然商业产品已经投入到实际应用中，但它们的实用潜力还没有被完全的开发。生物医学传感技术通过寻找那些快速探测、高灵敏度和专门化的领域而在公众健康的提高中起着重要的作用。临床医生或病人也需要一种途径来监控几种疾病的病人体中的关键代谢物的浓度。
4) 血糖、血氧监控：血管内的和经皮的传感器同样已经商业化了，但是它们的应用实际上还是很有限的。非入侵式的血氧计操作简单可靠，主要是依靠物理传感器，防止了内科医师在用前面两种技术可能产生的伤害和风险。
5) 连续代谢物监控：传感器在人体内连续工作一段时间，提供体液浓度的信息，可用来建立实时反馈控制和治疗，重要的突破已经应用到了葡萄糖微透析系统的传感器中。
6) 亲和性传感器：近年来最重要的突破是亲和性传感器已获得商业成功。免疫传感器的药学研究和DNA芯片的遗传诊断已应用到了活体测试。
图1 生物医学传感技术的主要应用领域举例
使用医用传感器进行人体信息检测，有着与其它测量明显不同的特殊性：无创伤测量和安全、可靠测量等。近年来无创伤测量方法成为重要研究课题。对生物体不造成创伤或仅仅引起轻微创伤的检测方法称作无创和微创检测，这种技术易于被测者接受，特别是在人体或实验动物活体的原位进行的无创及微创检测，有利于保持被测对象的生理状态，有利于进行生理、生化参数的长期和实时监测，因而便于在临床检查、监护和康复评价中广泛应用，现已成为生物医学传感技术的重要发展方向。一种方法是从人体表面进行测量。人体表面能被动地反映人体内部的情况，根据测量结果可以推断出人体内的情况。另一种方法是从体外输入载波信号，再根据体内现象对载波信号的调制情况进行判断，如利用闪烁晶体测量穿透人体的X线的吸收率来判断体内器官的状态等。
以心电、脑电为代表的循环系统和神经系统的生理量检测相对来说发展较早和较快，但由于其重要性居各生理量的高位，因此80年代中，随着微电子技术及智能自动化技术的发展，对心电及脑电的“长期、实时、自动、无创”检测的研究工作报导仍然居高不下。以心电为例，许多学者仍致力于在强干扰 (电磁干扰及肌电干扰等)下自心电图中自动提取和识别多类别的心律失常信息的研究。此外，心电图中的P波检测、ST段的检测方法的研究，在母体体表提取胎儿心电的研究，高频心电图的研究，体表希氏束电图实时检测的研究以及晚(迟)电位检测的研究都取得不同程度的进展。同时大力开展脑电、眼电为代表的神经系统生物电诱发电位检测的研究，其诱发手段有电、光、声、体感、嗅觉和味觉诱发刺激等。虽然这些研究成果中提供的检测技术与方法尚未达到临床医生诊断所要求那样的成熟程度，但在很大程度上提高了心电诊断和监护仪器的水平。
生物磁场的来源主要是生物体内伴随生物电活动而产生的磁场，如心磁、脑磁、肌磁、眼磁和神经磁等。此外也包括由生物体组织内磁性介质在外磁场作用下产生的感应场和侵入生物体内的强磁性物质产生的剩余磁场，如肝的感应磁场和肺磁场等。目前已能在实验室条件下探测到上述种种磁场。但是，生物磁场一般都很微弱，例如，心磁场强度约为10T量级，脑磁场强度约为10T量级，眼磁场强度为10T量级，肺磁场强度低于10T量级，因此一般需要用置于液氮容器中的超导量子干涉仪进行检测，并且测量系统需处于特殊的磁屏蔽环境中。同目前的生物电检测相比，生物磁场检测具有许多特点。以心磁测量为例，由于心磁图的测量采用检测线圈而非电极拾取生物信号，即检测系统与生物体不直接接触，不受被测对象表面状态的影响，不产生电极伪差，电安全性好；由于检测线圈感应的磁场信号是某点或某位置的信号，不是两点间的差值，故可进行定位测量；生物组织的磁导率均匀，生物磁场信号在生物体内的传播不会失真。因此，生物磁场检测方法的研究已成为生物医学测量的前沿性和热点课题之一，并展现出良好的应用前景，随着常温超导等技术的发展，生物磁场检测将会逐步进入临床应用阶段。
利用传感器无创检测血压、血流、呼吸、脉搏、体温、心音等生理参数的方法，目前已比较成熟，因而在临床检查和各类监护中得到了广泛应用。其发展趋势是发展新的无创或微创检测生理参数的方法，研究用同一传感器同时检测多种生理参数和从一次量检测中提取多种二次信息的方法，例如用光电法检测脉搏的同时，提取心率、血压、血氧饱和度等信息；采用电磁耦合或光耦合技术检测颅内压、口腔内压等生理参数，发展非接触及远程检测方法。 生化参数的检测一般是从受试者体内采集的血液和体液样品进行测量，因而多数为有创方法，并且不能长期、连续和实时检测被测参数的变化。目前，无创或微创性生化参数检测方法的研究受到重视。例如，从唾液中检测非那西了、草妥英等化学成分，并与经血浆检测结果进行相关研究；研究采用对皮肤施加微小负压吸引浸出液，然后用于传感器检测血糖的方法。
生物活体内信息直接测量方法的明显优点在于可高精度地检测生理和生化参数。体内信号直接检测方法通常有介入式（或插入式）、吞入式和体内固定植入式。介入式检测法指采用各种导管技术、内窥镜（含光学的、超声的和微波的内窥镜）技术检测体内生理、生化及形态和功能信息，目前已与光纤技术和气囊技术及各种理疗、化疗、手术治疗相结合，组成了种种介入式诊疗系统。吞入式检测法的典型代表是用于消化道器官内生理、生化参数检测的无线电胶囊。固定埋植入式检测系统是近年发展最快、最广的一类体内信息直接检测方法，其优点在于可保证微型检测装置与生物体间具有良好的匹配，生物体可处于无拘束的自然生理状态。检测系统处于近似恒温且干扰很小的环境中，有利于连续、精确、长期地观测某些生理、生化信息的细微变化，特别有利于生命科学研究的定量化。
植入式多类别、多通道检测系统已用于动物研究，用以测定众多的生理、生化参数，如ECG、EEG、EMG、体温、血压、pH值、酶活性、血流口腔内压、颅内压、血流等。应用于人体的植入式检测装置的研究亦有许多报道，例如假肢安装者的肌电信号遥测，人工关节内部的应力测试，对移植自然脏器及埋植人工脏器后人体生理、生化参数的长期跟踪测试，以及神经外科手术及药物疗效的评估研究等。这一类植入式检测装置的典型尺寸是毫米级，而其功能起来越复杂，为此，美国斯坦福大学集成电路中心近年开发了一系列植入式检测用的专用芯片，包括信号处理芯片（含多路前置放大器、振荡器、驱动/接收器、多路开关等）、FM和脉冲编码射频发射机芯片、射频控制的功率开关，以及供超声检测用的植入式超声信号处理芯片。植入式检测的信号传输大都采用以电磁波、光波或超声为传输介质的遥测方式，对这类检测系统的要求主要是长期稳定性、传感器及封装材料的生物相容性和可靠性。
这种系统已应用于人工心脏、人工胃、心脏起搏器及除颤器、人工耳蜗多的研究。其中植人式心脏起搏器及除颤器的研究最为引人注目。植入式心脏起搏器与除颤器研究的重点之一是心律失常的高可靠性检测。为了进一步提高室颤的检测能力，最新的植入式自动除颤器中采用了心率检测及根据概率密度函数来判别室颤，而且还有存贮记忆功能，通过体内外信息交换，可获知一个阶段中发生室颤的信息和除颤情况。有些研究者还采用在检测心电的同时检测血压的室颤双重判别方法。植入式药疗系统亦是集信号检测、处理与控制为一体的闭环控制装置，例如用于治疗糖尿病的药疗系统中，需采用包括植入式葡萄糖电极在内的连续血糖检测装置，其微型化、低功耗、高稳定性及高可靠性是长期植人的必要前提。
用吞服式无线电胶囊检测消化道器官中生理、生化参数的方法历经了30多年的研究，目前已有部分商品化。无线电（遥测）胶囊听般按能源供给方式分为能动型和受动型两类，按测量方法分为连续跟踪式和遥控采样式两种。目前研究的重点是多参数、受动型连续跟踪测定技术。它需在体外利用无线电或X射线定位跟踪技术，探知体内的生理、生化参数，诸如pH值、温度、压力、酶活性及出血部位等。由于这种检测方式下的患者处于无拘束的自然状态，无痛苦感，而且是一种口腔吞服、肛门排出的短期连续测量装置，对能源及生物相容性等的要求比长期植入的低，故易被患者和医生所接受。
体外信息交换方法的研究已在两个方面取得了进展：其一是各类电磁波、红外光穿越皮肤及人体组织的性质；其二是体内外信息的耦合方法。常用的体内外信息交换方法是“回波响应法”，其中一种方法是从体外向体内射送植于体内的检测与控制装置所需的能量，而将体内检测到的信息传送至体外进行处理；另一种方法是在体外向体内供给激励信号或程序控制用信号，并在体外用耦合线圈的形式提取体内信息。以一种植入式体内测温装置为例，这种方法仅需在体内埋植一个测温用的石英晶体以及一个体内外进行电磁耦合用的感应线圈，在体外供给线性调频信号，利用体内晶体谐振频率与温度间的线性关系进行测温，测温误差可控制在0.1C以内，且具有较高的长期稳定性。
这种系统的特点是机电一体化、微型化和智能化，尺寸可以小到数mm以下，一般将尺寸为l～10mm的称为小型MEMS，尺寸为10µm～lmm的称为微型MEMS，尺寸为10nm～10µrn的称为超微型MEMS，尺寸为10nm以下称为NEMS。MEMS中的微型传成器和微型动作器都是在集成电路基础上用光刻或化学腐蚀技术制成的，且采用三维刻蚀方法。从而使MEMS中的马达、传感器、信息处理及控制电路都可集成在一小片芯片上。MEMS内部还可有自测试、自校正、数字补偿和高速数字通信等功能，因而能满足体内检测装置实现高可靠性、高精度及低成本的基本条件。各国研究者首先建议将MEMS应用于生命科学及体内诊疗上。美国麻省理工学院预测MEMS在医学上应用的领域包括：载有CCD相机和微型元件的MEMS可以进入人类无法达到的场合观测环境并存储和传输图象；可用于清通患脑血栓的患者的被堵塞动脉；可用于接通或切断神经；进行细胞级操作；实现微米级视网膜手术等精细外科手术；进行体内检测及诊断等。
在人体和实验动物活体的原位，对机体的结构或功能状态所做的检测技术，通常称为“在体(in vivo)”检测。而对离体的血液、尿液、活体组织或病理标本之类的生物样品进行检测的技术，称为“离体(in vitro)”检测。这一类检测技术通常在临床化验中占有很重要的地位，对组织切片及对血液和气体采样的离体分析检测的目的是定量物质组成成分及其含量，判别是否正常，是否有病理性微生物存在等。离体检测要求有较高的检测精确度和准确度，要求有较快的响应。由于检测的类别很多，因此要求检测装置能实现多项目自动检测，使用的标本及试剂应尽量少，根据以上要求，近年来发展了许多检测方法，开发了一些新型的化学和生物传感器，除常规的临床分析(血液、尿液、脑脊液等)检测手段更新外，离体检测技术正不断朝着多功能、连续、微量化及自动检测方向发展，各类采用光学分析法与电化学分析法的自动生化检测装置随着计算机自动识别与分析技术的发展而日新月异。离体检测大部分属于生化量检测范畴，一部分属于图像检测与自动分析，这一类检测方法涉及的领域很多，需借助于基因、蛋白质工程、成膜技术、图像分析处理及测量等多学科的发展。
生物医学传感技术的未来发展趋势举例如图2所示：
通常的采样、送检到提出报告，最快的速度也需要半个小时以上，这对于争取时间抢救危重病人与做好外科手术等是极其不利的。针对上述问题，目前己开发了床边监测用传感器，床边监测用传感器应简单、坚固、结实、轻便、能连续或半连续运转，便于—般医护人员操作。
无损监则是病人最容易接受的监测方式，是当前生物医学传感技术中受到普遍关注的实际问题。目前取得的进展有经皮血气传感器无损监测血气(Po2、Pco2)，利用非抽血测量(即通过抽负压使血液中的低分子渗出)传感血糖、尿素等。
在体监测，可以实时、定点、动态、长期观测休内所发生的生理病理过程。在体监测所提供的信息是无与伦比的。伴随着传感技术的进展出现了多种多样的在体监测技术：植入式传感器可将体内的信息发射或传送至体外；导管式传感器可连续传感血管内或心脏内的血气/离子。在体监测目前存在的主要问题是如何改进传感器与组织的相容性问题。
目前医院检验科配备的各种生化分析仪器，体积庞大，价格昂贵(以万美元计)，绝大部分依赖进口。按照发展省钱的生物医学工程的构思，国内外都注意发展低投入，高产出的检验仪器，它具有价格低廉、操作与携带方便等优点，其性能价格比同类大型精密仪器高出—个数量级。早期诊断不能过多地寄希望于影像设备、生化变化发生在器质变化之前、生物医学传感器可实现对肿瘤标志物等疾病的快速检测。
细胞是人体的基本单位，人体的主要生理生化过程是在细胞内进行的，监测细胞内的离子事件与分子事件，已成为当前生命科学中的热点课题。监测离子事件的离子选择性微电极(Ca、K、Na、C1、Mg、Li等)技术已渐趋成熟，而监测分子事件的分子选择性微电极在开发之中。
人体是各种传感器芜集之处，这些人体传感器具有灵敏度高、选择性好、集成度高等待点，研制仿生传感器应是发展生物医学传感技术的重要方向。目前已研制出多种受体传感器、神经元传感器、仿神经元传感器。直接采用生物材料作生物传感器存在的主要问题是，脱离固有的微环境后，活性物质易失话，解决的主要途径是利用仿生化学人工修饰或合成敏感材料。
智能人工胰腺的问世，为人工脏器的智能化提供了先例。一个脏器与其他的组织和器官之间保持着多方面的联系，现行的人工脏器，只赋予该脏器单一的功能，割断了原有脏器同其他组织器官的联系。装备了传感系统、微系统或分子系统的智能人工脏器可望保持正常脏器的全面功能。异体器官移植面临难以克服的排斥反应问题，在植入的异体器官上装备抗排斥反应的分子系统是解决这一难题的有效途径。
基因调控着细胞的活动和人的生老病死，基因探测被认为是当代生命科学的核心技术之一。基因探测目前采用传统的生化方法、基因探针。这些方法的缺点是操作繁复，效率低，研制DNA、RNA传感器是解决这些问题的有效途径，这些研究正在积极进行。
大脑活动的物质基础是以神经递质与神经调质为主的系列分子事件，监测这些分子事件是深化分子脑研究的重要手段。递质与调质的特点之一，由于其含量甚微(pg级)，在体连续传感这些物质，难度是很大的。调控基因“from gene to protein”的研究是生命科学的核心问题之一。此外，分子系统中的传感器可以识别蛋白质，处理器可据以确定基因的结构(DNA序列)，执行器可以对基因进行切割拼接，即分子系统可以调控基因，影响生命过程，干预生老病死。
在体监测，可以实时、定点、动态、长期观测休内所发生的生理病理过程。在体监测所提供的信息是无与伦比的。伴随着传感技术的进展出现了多种多样的在体监测技术：植入式传感器可将体内的信息发射或传送至体外；导管式传感器可连续传感血管内或心脏内的血气/离子。在体监测目前存在的主要问题是如何改进传感器与组织的相容性问题。
图2 生物医学传感技术的未来发展趋势: 体外与体内细胞分子检测及穿戴式传感网络
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