氣體傳感器在醫療儀器中的應用

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關鍵詞:傳感器 醫療


    2020年春節期間我國發生了嚴重的新型冠狀病毒(2019-nCoV)感染的肺炎疫情,這是繼2003年非典(SARS)疫情以來較嚴重的全國范圍的疫情。黨和國家領導人,還有廣大的人民群眾對這次的疫情給予了高度重視。首先,我們為戰斗在第一線的醫生、護士、指戰員、工程技術人員表示衷心的感謝和誠摯的慰問。并祝愿讀者朋友們新春快樂,身體健康,萬事如意。

    春節期間,有朋友在問,傳感器在醫療領域有哪些應用呢?這是一個很好的問題,也是一個很大的課題。首先,我們還需要從醫療儀器行業說起。

    醫療儀器行業在中國算是一個新興的行業,并且是一個產值萬億級的行業。市場是巨大的,但挑戰也是巨大的,難度在于:需要大量的資金和技術人才,設備研發和臨床實驗時間長,從立項到臨床實驗完成很可能需要五、六年時間;好處在于:高的準入門檻屏蔽了比較多的競爭對手,并帶來較高的利潤空間。

    和醫療行業比起來,整個傳感器行業的產值可能還不到醫療行業產值的1/10,但是醫療儀器是非常依賴于傳感器行業的,因為人體內的生物量和用于治療的藥物和材料,都需要用傳感器檢測和在線監測。

    因為本人較為熟悉氣體傳感器,那么我就在本文中介紹一些氣體傳感器在醫療儀器中的應用吧。


    1. 醫用氧氣傳感器

    在醫療的過程中,輸氧是經??吹降?。醫用氧氣從鋼瓶中釋放出來,可以經過鼓泡瓶加濕,病人直接吸入。而有些醫療設備中是一定要配氧氣傳感器,用來顯示氧氣濃度的,如呼吸機、麻醉機、高壓氧倉和嬰兒培養箱。

    輸氧作為一種治療的手段,針對不同的病人和不同的供氧氣的醫療設備,提供的氧氣濃度和流量各不相同——體積比濃度21%vol ~ 60%vol,流量0.5升/分鐘到5升/分鐘不等。傳感器的響應速度從幾百毫秒到十幾秒鐘不等。醫療上用的氣體傳感器不太用%vol這樣的體積比濃度,而是用氣體分壓來表示比較普遍,例如bar,或者mbar。1bar的含義就是在1個標準大氣壓強下,100%vol全部都是被測氣體。

    眾說周知,醫療儀器價格不菲,氧氣測量在整個醫療儀器中是很小的一塊功能,對可靠性要求很高。有些性能是醫用氧氣傳感器必須具備的,如:線性極好、響應速度快、耐高溫、耐高濕、對流量不敏感、對麻醉氣體無反應、壽命長?,F在最常用是電化學氧氣傳感器,即傳統的氧電池。氧電池內部是含鉛(Pb)的,氧氣進入傳感器之后,Pb逐漸被氧化成PbO2。所以,氧電池壽命只有1年左右。作為替代產品,有些醫療器械廠商開始使用順磁原理的氧氣傳感器。順磁氧傳感器的工藝比較復雜,價格也比較高,但壽命長,是非消耗型的傳感器,不用更換。

    另外,在各種人體組織的培養箱中,氧氣傳感器也是必須的。因為如果培養環境中氧氣濃度過高,很可能導致所培養的人體組織參數達不到預想的效果,無法移植到人體中去。


    2. 醫用CO2傳感器

    CO2傳感器的技術路線主要是非色散紅外原理(NDIR)。

    醫用CO2傳感器的應用場合比較多樣化,其中第一重要的還是呼吸機、麻醉劑和嬰兒培養箱等,用于監控人體的生命體征。

    醫用CO2傳感器第二個重要的應用是測量幽門螺旋桿菌(Hp)。Hp可引起多種胃病,包括淺表性胃炎、胃潰瘍、十二指腸潰瘍、非潰瘍性消化不良,發展到最后,最嚴重的就是胃癌。臨床上檢測Hp最簡單的方法是服用碳13標記的,或者碳14標記的尿素。服用完10 ~15分鐘,病人體內Hp所產生的高活性尿素酶就會將尿素分解為氨(NH3)、13CO2或14CO2,少量13CO2或14CO2通過血液經呼氣排出。通過分析呼氣中13CO2或14CO2濃度,即可判斷患者是否存在Hp感染。但是,測量13CO2和14CO2的物理原理可是不一樣的哦!測量13CO2可以用NDIR的方法,其紅外吸收波長在4.74um附近,而常規的12CO2的紅外吸收光譜在4.26um附近。因為14C是有放射性的,經過Beta衰變之后會生成14N,所以測量14CO2用的是Beta射線檢測的方法。Beta射線,其實就是電子。測量13CO2和14CO2的方法雖有不同,但對診斷Hp都是有效的。因為14C有微弱的放射性,而13C沒有放射性,所以還是用檢測13CO2的方法比較安全。

    CO2第三個重要的應用是測量人體呼氣末的濃度。人體在不憋氣的情況下,呼氣末的CO2濃度大約是5.5%vol。呼氣末5.5%vol所對應的這個時間點是很多醫學測量的時間基準,所以能夠準確并且快速地對呼氣末進行響應,是CO2傳感器很有價值的地方。


    3. 麻醉氣體傳感器

    麻醉學是醫學里的一個分支,氣體麻醉又是麻醉學里的一個小分支?!?】

    19世紀,人們發現了氣體麻醉劑,有氧化亞氮、乙醚、氯仿、乙基氯化物。到了20世紀上半葉,發現了乙烯、乙烯醚、環丙烷、三氯乙烯、異丙烯乙烯醚、丙基甲基醚氯乙烯醚。20世紀下半葉,發現了乙基乙烯醚、氟烷、甲氧氟烷、恩氟醚、異氟醚、地氟醚和七氟醚。

    1950年之前所發現的一些氣體麻醉劑雖然有麻醉的作用,但是也有明顯的副作用或毒性。例如氯仿就有大量的肝毒性病例的報道;乙烯、乙醚、乙烯醚、環丙烷具有易燃性;氯仿、氯乙烯、三氯乙烯具有毒性。所以,這些氣體已經不再用作麻醉劑。

    現在最先進的氣體麻醉劑是氟醚類。例如,七氟醚就具有快速失去知覺性和快速恢復性,是當今比較優秀的麻醉氣體,其使用量不斷增長。麻醉用氟醚的濃度從百分之零點幾到百分之幾,因具體情況而定。在線監測的方法為NDIR紅外法,幾乎每臺麻醉機都要配備氟醚的分析儀的。因為NDIR法的高可靠性、高精度、響應速度快和優異的長期穩定性能夠滿足醫療的需要,所以紅外法是唯一認可測量氟醚的技術。紅外氟醚傳感器用量大,基本上都由醫療儀器公司自己研發、制造。


    4. 呼氣檢測和診斷

    人體呼氣檢測,作為無創性、快速、廉價的檢查手段,越來越受到醫療界的重視,例如哮喘檢測NO,乳糖不耐受H2檢測,判定消化道內的微生物菌群的CH4檢測,等等。這些檢測不同氣體,需要用到不同技術門類的氣體傳感器。

    4.1 呼氣NO(FeNO)濃度檢測【2】
    哮喘的病理基礎是慢性氣道炎癥。呼出氣中NO濃度測定是一種無創性的、可重復的快速檢測方法,可以直接檢測并立即得出結果。NO的濃度范圍是0~100ppb(1ppb表示十億分之一)。在病情惡化時,FeNO可升高,并與類固醇治療前的嗜酸粒細胞性炎癥和氣道高反應相關??寡字委熀?,她會迅速降低,提示治療有反應,并可用于監測治療方案。FeNO測定增加了哮喘的檢測手段,已被采納到《全球哮喘防止創議》(GINA)哮喘管理方案中。下面列舉一下FeNO的優點:
    - 無創,可重復
    - 可用于所有年齡的人群
    - 快速檢測,可以立即得到結果
    - 符合相關標準化的一致性原則
    - 可用于哮喘的診斷,并可用于其他原因引起的哮喘的鑒別診斷
    - 與嗜酸細胞性炎癥有關
    - 抗炎治療可迅速降低,并可預測反應
    - 病情惡化期間升高,提示病情失控
    - 可用于監控治療是否對癥
    - 美國FDA批準該技術可以用于臨床
    - 可以預測潛伏期哮喘

    用于FeNO檢測性價比最高的傳感器是電化學傳感器。當然,這可不是普普通通的電化學NO傳感器,要在復雜的人體呼出氣體中檢測出ppb級別的NO并非易事。不過,國內已經有醫療儀器公司實現了本設備的研發,并大量地在使用中。

    4.2 乳糖不耐受H2檢測【3】
    乳糖不耐受癥的癥狀,簡單的說,就是喝了牛奶肚子脹,拉肚子。乳糖是奶類中特有的糖類,需經小腸粘膜的乳糖酶水解后才能被吸收。世界上大多數人在斷乳之后,隨著年齡增長都會出現不同程度的乳糖酶缺乏,中國漢族成人中乳糖酶缺乏者占75%~92.3%。這些人群在攝入乳糖之后會出現腹痛、腹脹、腹瀉等一系列臨床癥狀、稱為乳糖不耐受(Lactose Intolerance, LI)。LI的高發生率在一定程度上限值了人們攝入奶制品。

    正常情況下,哺乳類動物呼氣中測不出H2,當未消化吸收的碳水化合物進入大腸時,被大腸菌群分解發酵產生H2,并被血液吸收,經肺排出,呼氣中H2濃度值越高表明未被消化吸收的部分越多。對大量人群的調查研究證明,H2呼氣試驗具有較高的靈敏度和特異性,是目前被用來進行乳糖酶缺乏研究的主要手段之一。

    那么,乳糖不耐受癥的診斷過程是怎樣的呢?簡單的說有這樣幾個過程:
    1. 空腹喝入溶解有乳糖的水。
    2. 每隔15分鐘,收集一次呼氣。
    3. 檢測呼氣中的H2濃度。

    因為呼出的H2濃度范圍在0~100ppm(1ppm為一百萬分之一)之內,因此可以用電化學傳感器來檢測。但是在所有電化學傳感器中,H2傳感器是屬于不太好研發和生產的一種,例如分辨率無法做到和CO傳感器一樣好,零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移也是比較大的,響應時間比較慢。

    4.3 肥胖者的呼出CH4和H2檢測
    有人說:“我吃什么都不胖?!币灿腥苏f:“我喝涼水都發胖?!笨茖W家們經過研究發現,肥胖跟人體內的微生物群落有關系。

    R. Mathur等人在論文【4】中設計了一個實驗,找來792個人作為樣本,進行了如下的實驗:
    1. 將10克乳果糖和250克水混合喝下;
    2. 在2小時之內,每隔15分鐘做一次呼氣檢測,測量CH4濃度和H2濃度。

    實驗發現,CH4>3ppm并且H2>20ppm的一組被測者,其BMI指數比其他被測者高6.7kg/m2。其BMI指數達到34.1kg/m2 ± 10.9%。那么“34.1 kg/m2”是什么概念呢?讓我們來溫習一下BMI的定義和數值吧!

    BMI指數(Body Mass Index),是指用體重公斤數除以身高米數平方得出的指數,即身體質量指數,是目前在國際上常用的衡量人體胖瘦程度以及是否健康的一個標準。成人的BMI數值如下:
    - 過輕:<18.5
    - 正常:18.5 ~ 23.9
    - 過重:24 ~ 27
    - 肥胖:28 ~ 32
    - 非常肥胖:>32

    對照上面的數值,34.1kg/m2已經是“非常肥胖”這一類了。那么BMI偏高的人呼出的CH4和H2為什么比其他人的高呢?那是因為,肥胖者的體內有一些比較特別的微生物【5】,例如史密斯甲烷桿菌,這些微生物會加速多糖和碳水化合物的發酵過程,從而增加了短鏈的脂肪酸的產量。這些短鏈的脂肪酸易于吸收,從而導致了更多的能量吸收,從而為體重增加和肥胖創造了條件。這也就能夠解釋為什么有些人明明吃得不多,但就是減肥困難了。我猜測微生物療法可能將會成為一種比較流行的減肥療法,因為該需求的確有痛點。

    要檢測0~100ppm的甲烷,性價比比較高的氣體傳感器是非色散紅外(NDIR)的技術。其他技術也可以用,但是會有一些不足。例如,可調二極管激光技術(TDLAS)是可以測低濃度CH4的,但是成本相對比較高;金屬氧化物半導體(MOS)也是可以測的,但是其溫漂、濕漂和對各種氣體的交叉干擾不好克服。


    5. 結束語

    以上的一些氣體傳感器的應用,基本上都是病患可以直接使用的。但是在醫療相關的行業中,有一些應用病患并不會直接接觸到,但會間接地用到。例如用O3給醫療器械消毒,再例如為醫療用水檢測含碳總量(TOC)。相關的應用還是挺多的,在將來的文章中,我再一一地給朋友們介紹。


    (審核編輯: KEEP)

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