氣體傳感器在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用

 

 

 

2020年春節(jié)期間我國(guó)發(fā)生了嚴(yán)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(lái)較嚴(yán)重的全國(guó)范圍的疫情。黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人，還有廣大的人民群眾對(duì)這次的疫情給予了高度重視。首先，我們?yōu)閼?zhàn)斗在第一線(xiàn)的醫(yī)生、護(hù)士、指戰(zhàn)員、工程技術(shù)人員表示衷心的感謝和誠(chéng)摯的慰問(wèn)。并祝愿讀者朋友們新春快樂(lè)，身體健康，萬(wàn)事如意。

 

春節(jié)期間，有朋友在問(wèn)，傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域有哪些應(yīng)用呢？這是一個(gè)很好的問(wèn)題，也是一個(gè)很大的課題。首先，我們還需要從醫(yī)療儀器行業(yè)說(shuō)起。

 

醫(yī)療儀器行業(yè)在中國(guó)算是一個(gè)新興的行業(yè)，并且是一個(gè)產(chǎn)值萬(wàn)億級(jí)的行業(yè)。市場(chǎng)是巨大的，但挑戰(zhàn)也是巨大的，難度在于：需要大量的資金和技術(shù)人才，設(shè)備研發(fā)和臨床實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，從立項(xiàng)到臨床實(shí)驗(yàn)完成很可能需要五、六年時(shí)間；好處在于：高的準(zhǔn)入門(mén)檻屏蔽了比較多的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，并帶來(lái)較高的利潤(rùn)空間。

 

和醫(yī)療行業(yè)比起來(lái)，整個(gè)傳感器行業(yè)的產(chǎn)值可能還不到醫(yī)療行業(yè)產(chǎn)值的1/10，但是醫(yī)療儀器是非常依賴(lài)于傳感器行業(yè)的，因?yàn)槿梭w內(nèi)的生物量和用于治療的藥物和材料，都需要用傳感器檢測(cè)和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

 

因?yàn)楸救溯^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(yī)療儀器中的應(yīng)用吧。

 

 

1. 醫(yī)用氧氣傳感器

 

在醫(yī)療的過(guò)程中，輸氧是經(jīng)常看到的。醫(yī)用氧氣從鋼瓶中釋放出來(lái)，可以經(jīng)過(guò)鼓泡瓶加濕，病人直接吸入。而有些醫(yī)療設(shè)備中是一定要配氧氣傳感器，用來(lái)顯示氧氣濃度的，如呼吸機(jī)、麻醉機(jī)、高壓氧倉(cāng)和嬰兒培養(yǎng)箱。

 

輸氧作為一種治療的手段，針對(duì)不同的病人和不同的供氧氣的醫(yī)療設(shè)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(yīng)速度從幾百毫秒到十幾秒鐘不等。醫(yī)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(lái)表示比較普遍，例如bar，或者mbar。1bar的含義就是在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)下，100%vol全部都是被測(cè)氣體。

 

眾說(shuō)周知，醫(yī)療儀器價(jià)格不菲，氧氣測(cè)量在整個(gè)醫(yī)療儀器中是很小的一塊功能，對(duì)可靠性要求很高。有些性能是醫(yī)用氧氣傳感器必須具備的，如：線(xiàn)性極好、響應(yīng)速度快、耐高溫、耐高濕、對(duì)流量不敏感、對(duì)麻醉氣體無(wú)反應(yīng)、壽命長(zhǎng)。現(xiàn)在最常用是電化學(xué)氧氣傳感器，即傳統(tǒng)的氧電池。氧電池內(nèi)部是含鉛（Pb）的，氧氣進(jìn)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(chǎn)品，有些醫(yī)療器械廠(chǎng)商開(kāi)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(fù)雜，價(jià)格也比較高，但壽命長(zhǎng)，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(yǎng)箱中，氧氣傳感器也是必須的。因?yàn)槿绻囵B(yǎng)環(huán)境中氧氣濃度過(guò)高，很可能導(dǎo)致所培養(yǎng)的人體組織參數(shù)達(dá)不到預(yù)想的效果，無(wú)法移植到人體中去。

 

 

2. 醫(yī)用CO2傳感器

 

CO2傳感器的技術(shù)路線(xiàn)主要是非色散紅外原理（NDIR）。

 

醫(yī)用CO2傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合比較多樣化，其中第一重要的還是呼吸機(jī)、麻醉劑和嬰兒培養(yǎng)箱等，用于監(jiān)控人體的生命體征。

 

醫(yī)用CO2傳感器第二個(gè)重要的應(yīng)用是測(cè)量幽門(mén)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(fā)展到最后，最嚴(yán)重的就是胃癌。臨床上檢測(cè)Hp最簡(jiǎn)單的方法是服用碳13標(biāo)記的，或者碳14標(biāo)記的尿素。服用完10 ~15分鐘，病人體內(nèi)Hp所產(chǎn)生的高活性尿素酶就會(huì)將尿素分解為氨（NH3）、13CO2或14CO2，少量13CO2或14CO2通過(guò)血液經(jīng)呼氣排出。通過(guò)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(cè)量13CO2和14CO2的物理原理可是不一樣的哦！測(cè)量13CO2可以用NDIR的方法，其紅外吸收波長(zhǎng)在4.74um附近，而常規(guī)的12CO2的紅外吸收光譜在4.26um附近。因?yàn)?4C是有放射性的，經(jīng)過(guò)Beta衰變之后會(huì)生成14N，所以測(cè)量14CO2用的是Beta射線(xiàn)檢測(cè)的方法。Beta射線(xiàn)，其實(shí)就是電子。測(cè)量13CO2和14CO2的方法雖有不同，但對(duì)診斷Hp都是有效的。因?yàn)?4C有微弱的放射性，而13C沒(méi)有放射性，所以還是用檢測(cè)13CO2的方法比較安全。

 

CO2第三個(gè)重要的應(yīng)用是測(cè)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(duì)應(yīng)的這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是很多醫(yī)學(xué)測(cè)量的時(shí)間基準(zhǔn)，所以能夠準(zhǔn)確并且快速地對(duì)呼氣末進(jìn)行響應(yīng)，是CO2傳感器很有價(jià)值的地方。

 

 

3. 麻醉氣體傳感器

 

麻醉學(xué)是醫(yī)學(xué)里的一個(gè)分支，氣體麻醉又是麻醉學(xué)里的一個(gè)小分支。【1】

 

19世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)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(jì)上半葉，發(fā)現(xiàn)了乙烯、乙烯醚、環(huán)丙烷、三氯乙烯、異丙烯乙烯醚、丙基甲基醚氯乙烯醚。20世紀(jì)下半葉，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(bào)道；乙烯、乙醚、乙烯醚、環(huán)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(jīng)不再用作麻醉劑。

 

現(xiàn)在最先進(jìn)的氣體麻醉劑是氟醚類(lèi)。例如，七氟醚就具有快速失去知覺(jué)性和快速恢復(fù)性，是當(dāng)今比較優(yōu)秀的麻醉氣體，其使用量不斷增長(zhǎng)。麻醉用氟醚的濃度從百分之零點(diǎn)幾到百分之幾，因具體情況而定。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法為NDIR紅外法，幾乎每臺(tái)麻醉機(jī)都要配備氟醚的分析儀的。因?yàn)镹DIR法的高可靠性、高精度、響應(yīng)速度快和優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能夠滿(mǎn)足醫(yī)療的需要，所以紅外法是唯一認(rèn)可測(cè)量氟醚的技術(shù)。紅外氟醚傳感器用量大，基本上都由醫(yī)療儀器公司自己研發(fā)、制造。

 

 

4. 呼氣檢測(cè)和診斷

 

人體呼氣檢測(cè)，作為無(wú)創(chuàng)性、快速、廉價(jià)的檢查手段，越來(lái)越受到醫(yī)療界的重視，例如哮喘檢測(cè)NO，乳糖不耐受H2檢測(cè)，判定消化道內(nèi)的微生物菌群的CH4檢測(cè)，等等。這些檢測(cè)不同氣體，需要用到不同技術(shù)門(mén)類(lèi)的氣體傳感器。

 

4.1 呼氣NO（FeNO）濃度檢測(cè)【2】

哮喘的病理基礎(chǔ)是慢性氣道炎癥。呼出氣中NO濃度測(cè)定是一種無(wú)創(chuàng)性的、可重復(fù)的快速檢測(cè)方法，可以直接檢測(cè)并立即得出結(jié)果。NO的濃度范圍是0~100ppb（1ppb表示十億分之一）。在病情惡化時(shí)，F(xiàn)eNO可升高，并與類(lèi)固醇治療前的嗜酸粒細(xì)胞性炎癥和氣道高反應(yīng)相關(guān)。抗炎治療后，她會(huì)迅速降低，提示治療有反應(yīng)，并可用于監(jiān)測(cè)治療方案。FeNO測(cè)定增加了哮喘的檢測(cè)手段，已被采納到《全球哮喘防止創(chuàng)議》（GINA）哮喘管理方案中。下面列舉一下FeNO的優(yōu)點(diǎn)：

- 無(wú)創(chuàng)，可重復(fù)

- 可用于所有年齡的人群

- 快速檢測(cè)，可以立即得到結(jié)果

- 符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(xì)胞性炎癥有關(guān)

- 抗炎治療可迅速降低，并可預(yù)測(cè)反應(yīng)

- 病情惡化期間升高，提示病情失控

- 可用于監(jiān)控治療是否對(duì)癥

- 美國(guó)FDA批準(zhǔn)該技術(shù)可以用于臨床

- 可以預(yù)測(cè)潛伏期哮喘

 

用于FeNO檢測(cè)性?xún)r(jià)比最高的傳感器是電化學(xué)傳感器。當(dāng)然，這可不是普普通通的電化學(xué)NO傳感器，要在復(fù)雜的人體呼出氣體中檢測(cè)出ppb級(jí)別的NO并非易事。不過(guò)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有醫(yī)療儀器公司實(shí)現(xiàn)了本設(shè)備的研發(fā)，并大量地在使用中。

 

4.2 乳糖不耐受H2檢測(cè)【3】

乳糖不耐受癥的癥狀，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是喝了牛奶肚子脹，拉肚子。乳糖是奶類(lèi)中特有的糖類(lèi)，需經(jīng)小腸粘膜的乳糖酶水解后才能被吸收。世界上大多數(shù)人在斷乳之后，隨著年齡增長(zhǎng)都會(huì)出現(xiàn)不同程度的乳糖酶缺乏，中國(guó)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(huì)出現(xiàn)腹痛、腹脹、腹瀉等一系列臨床癥狀、稱(chēng)為乳糖不耐受（Lactose Intolerance, LI）。LI的高發(fā)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(lèi)動(dòng)物呼氣中測(cè)不出H2，當(dāng)未消化吸收的碳水化合物進(jìn)入大腸時(shí)，被大腸菌群分解發(fā)酵產(chǎn)生H2，并被血液吸收，經(jīng)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(duì)大量人群的調(diào)查研究證明，H2呼氣試驗(yàn)具有較高的靈敏度和特異性，是目前被用來(lái)進(jìn)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(guò)程是怎樣的呢？簡(jiǎn)單的說(shuō)有這樣幾個(gè)過(guò)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(cè)呼氣中的H2濃度。

 

因?yàn)楹舫龅腍2濃度范圍在0~100ppm（1ppm為一百萬(wàn)分之一）之內(nèi)，因此可以用電化學(xué)傳感器來(lái)檢測(cè)。但是在所有電化學(xué)傳感器中，H2傳感器是屬于不太好研發(fā)和生產(chǎn)的一種，例如分辨率無(wú)法做到和CO傳感器一樣好，零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移也是比較大的，響應(yīng)時(shí)間比較慢。

 

4.3 肥胖者的呼出CH4和H2檢測(cè)

有人說(shuō)：“我吃什么都不胖。”也有人說(shuō)：“我喝涼水都發(fā)胖。”科學(xué)家們經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，肥胖跟人體內(nèi)的微生物群落有關(guān)系。

 

R. Mathur等人在論文【4】中設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，找來(lái)792個(gè)人作為樣本，進(jìn)行了如下的實(shí)驗(yàn)：

1. 將10克乳果糖和250克水混合喝下；

2. 在2小時(shí)之內(nèi)，每隔15分鐘做一次呼氣檢測(cè)，測(cè)量CH4濃度和H2濃度。

 

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CH4>3ppm并且H2>20ppm的一組被測(cè)者，其BMI指數(shù)比其他被測(cè)者高6.7kg/m2。其BMI指數(shù)達(dá)到34.1kg/m2 ± 10.9%。那么“34.1 kg/m2”是什么概念呢？讓我們來(lái)溫習(xí)一下BMI的定義和數(shù)值吧！

 

BMI指數(shù)（Body Mass Index），是指用體重公斤數(shù)除以身高米數(shù)平方得出的指數(shù)，即身體質(zhì)量指數(shù)，是目前在國(guó)際上常用的衡量人體胖瘦程度以及是否健康的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。成人的BMI數(shù)值如下：

- 過(guò)輕：<18.5

- 正常：18.5 ~ 23.9

- 過(guò)重：24 ~ 27

- 肥胖：28 ~ 32

- 非常肥胖：>32

 

對(duì)照上面的數(shù)值，34.1kg/m2已經(jīng)是“非常肥胖”這一類(lèi)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?yàn)椋逝终叩捏w內(nèi)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(huì)加速多糖和碳水化合物的發(fā)酵過(guò)程，從而增加了短鏈的脂肪酸的產(chǎn)量。這些短鏈的脂肪酸易于吸收，從而導(dǎo)致了更多的能量吸收，從而為體重增加和肥胖創(chuàng)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(cè)微生物療法可能將會(huì)成為一種比較流行的減肥療法，因?yàn)樵撔枨蟮拇_有痛點(diǎn)。

 

要檢測(cè)0~100ppm的甲烷，性?xún)r(jià)比比較高的氣體傳感器是非色散紅外（NDIR）的技術(shù)。其他技術(shù)也可以用，但是會(huì)有一些不足。例如，可調(diào)二極管激光技術(shù)（TDLAS）是可以測(cè)低濃度CH4的，但是成本相對(duì)比較高；金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）也是可以測(cè)的，但是其溫漂、濕漂和對(duì)各種氣體的交叉干擾不好克服。

 

 

5. 結(jié)束語(yǔ)

 

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