气体传感器在医疗仪器中的应用

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关键词:传感器 医疗


    2020年春节期间我国发生了严重的新型冠状病毒(2019-nCoV)感染的肺炎疫情,这是继2003年非典(SARS)疫情以来较严重的全国范围的疫情。党和国家领导人,还有广大的人民群众对这次的疫情给予了高度重视。首先,我们为战斗在第一线的医生、护士、指战员、工程技术人员表示衷心的感谢和诚挚的慰问。并祝愿读者朋友们新春快乐,身体健康,万事如意。

    春节期间,有朋友在问,传感器在医疗领域有哪些应用呢?这是一个很好的问题,也是一个很大的课题。首先,我们还需要从医疗仪器行业说起。

    医疗仪器行业在中国算是一个新兴的行业,并且是一个产值万亿级的行业。市场是巨大的,但挑战也是巨大的,难度在于:需要大量的资金和技术人才,设备研发和临床实验时间长,从立项到临床实验完成很可能需要五、六年时间;好处在于:高的准入门槛屏蔽了比较多的竞争对手,并带来较高的利润空间。

    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,但是医疗仪器是非常依赖于传感器行业的,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。

    因为本人较为熟悉气体传感器,那么我就在本文中介绍一些气体传感器在医疗仪器中的应用吧。


    1. 医用氧气传感器

    在医疗的过程中,输氧是经常看到的。医用氧气从钢瓶中释放出来,可以经过鼓泡瓶加湿,病人直接吸入。而有些医疗设备中是一定要配氧气传感器,用来显示氧气浓度的,如呼吸机、麻醉机、高压氧仓和婴儿培养箱。

    输氧作为一种治疗的手段,针对不同的病人和不同的供氧气的医疗设备,提供的氧气浓度和流量各不相同——体积比浓度21%vol ~ 60%vol,流量0.5升/分钟到5升/分钟不等。传感器的响应速度从几百毫秒到十几秒钟不等。医疗上用的气体传感器不太用%vol这样的体积比浓度,而是用气体分压来表示比较普遍,例如bar,或者mbar。1bar的含义就是在1个标准大气压强下,100%vol全部都是被测气体。

    众说周知,医疗仪器价格不菲,氧气测量在整个医疗仪器中是很小的一块功能,对可靠性要求很高。有些性能是医用氧气传感器必须具备的,如:线性极好、响应速度快、耐高温、耐高湿、对流量不敏感、对麻醉气体无反应、寿命长。现在最常用是电化学氧气传感器,即传统的氧电池。氧电池内部是含铅(Pb)的,氧气进入传感器之后,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比较复杂,价格也比较高,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,氧气传感器也是必须的。因为如果培养环境中氧气浓度过高,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。


    2. 医用CO2传感器

    CO2传感器的技术路线主要是非色散红外原理(NDIR)。

    医用CO2传感器的应用场合比较多样化,其中第一重要的还是呼吸机、麻醉剂和婴儿培养箱等,用于监控人体的生命体征。

    医用CO2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最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 ~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。通过分析呼气中13CO2或14CO2浓度,即可判断患者是否存在Hp感染。但是,测量13CO2和14CO2的物理原理可是不一样的哦!测量13CO2可以用NDIR的方法,其红外吸收波长在4.74um附近,而常规的12CO2的红外吸收光谱在4.26um附近。因为14C是有放射性的,经过Beta衰变之后会生成14N,所以测量14CO2用的是Beta射线检测的方法。Beta射线,其实就是电子。测量13CO2和14CO2的方法虽有不同,但对诊断Hp都是有效的。因为14C有微弱的放射性,而13C没有放射性,所以还是用检测13CO2的方法比较安全。

    CO2第三个重要的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CO2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,所以能够准确并且快速地对呼气末进行响应,是CO2传感器很有价值的地方。


    3. 麻醉气体传感器

    麻醉学是医学里的一个分支,气体麻醉又是麻醉学里的一个小分支。【1】

    19世纪,人们发现了气体麻醉剂,有氧化亚氮、乙醚、氯仿、乙基氯化物。到了20世纪上半叶,发现了乙烯、乙烯醚、环丙烷、三氯乙烯、异丙烯乙烯醚、丙基甲基醚氯乙烯醚。20世纪下半叶,发现了乙基乙烯醚、氟烷、甲氧氟烷、恩氟醚、异氟醚、地氟醚和七氟醚。

    1950年之前所发现的一些气体麻醉剂虽然有麻醉的作用,但是也有明显的副作用或毒性。例如氯仿就有大量的肝毒性病例的报道;乙烯、乙醚、乙烯醚、环丙烷具有易燃性;氯仿、氯乙烯、三氯乙烯具有毒性。所以,这些气体已经不再用作麻醉剂。

    现在最先进的气体麻醉剂是氟醚类。例如,七氟醚就具有快速失去知觉性和快速恢复性,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。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的。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,所以红外法是唯一认可测量氟醚的技术。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。


    4. 呼气检测和诊断

    人体呼气检测,作为无创性、快速、廉价的检查手段,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。

    4.1 呼气NO(FeNO)浓度检测【2】
    哮喘的病理基础是慢性气道炎症。呼出气中NO浓度测定是一种无创性的、可重复的快速检测方法,可以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,她会迅速降低,提示治疗有反应,并可用于监测治疗方案。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。下面列举一下FeNO的优点:
    - 无创,可重复
    - 可用于所有年龄的人群
    - 快速检测,可以立即得到结果
    - 符合相关标准化的一致性原则
    - 可用于哮喘的诊断,并可用于其他原因引起的哮喘的鉴别诊断
    - 与嗜酸细胞性炎症有关
    - 抗炎治疗可迅速降低,并可预测反应
    - 病情恶化期间升高,提示病情失控
    - 可用于监控治疗是否对症
    - 美国FDA批准该技术可以用于临床
    - 可以预测潜伏期哮喘

    用于FeNO检测性价比最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。

    4.2 乳糖不耐受H2检测【3】
    乳糖不耐受症的症状,简单的说,就是喝了牛奶肚子胀,拉肚子。乳糖是奶类中特有的糖类,需经小肠粘膜的乳糖酶水解后才能被吸收。世界上大多数人在断乳之后,随着年龄增长都会出现不同程度的乳糖酶缺乏,中国汉族成人中乳糖酶缺乏者占75%~92.3%。这些人群在摄入乳糖之后会出现腹痛、腹胀、腹泻等一系列临床症状、称为乳糖不耐受(Lactose Intolerance, LI)。LI的高发生率在一定程度上限值了人们摄入奶制品。

    正常情况下,哺乳类动物呼气中测不出H2,当未消化吸收的碳水化合物进入大肠时,被大肠菌群分解发酵产生H2,并被血液吸收,经肺排出,呼气中H2浓度值越高表明未被消化吸收的部分越多。对大量人群的调查研究证明,H2呼气试验具有较高的灵敏度和特异性,是目前被用来进行乳糖酶缺乏研究的主要手段之一。

    那么,乳糖不耐受症的诊断过程是怎样的呢?简单的说有这样几个过程:
    1. 空腹喝入溶解有乳糖的水。
    2. 每隔15分钟,收集一次呼气。
    3. 检测呼气中的H2浓度。

    因为呼出的H2浓度范围在0~100ppm(1ppm为一百万分之一)之内,因此可以用电化学传感器来检测。但是在所有电化学传感器中,H2传感器是属于不太好研发和生产的一种,例如分辨率无法做到和CO传感器一样好,零点温度漂移和灵敏度温度漂移也是比较大的,响应时间比较慢。

    4.3 肥胖者的呼出CH4和H2检测
    有人说:“我吃什么都不胖。”也有人说:“我喝凉水都发胖。”科学家们经过研究发现,肥胖跟人体内的微生物群落有关系。

    R. Mathur等人在论文【4】中设计了一个实验,找来792个人作为样本,进行了如下的实验:
    1. 将10克乳果糖和250克水混合喝下;
    2. 在2小时之内,每隔15分钟做一次呼气检测,测量CH4浓度和H2浓度。

    实验发现,CH4>3ppm并且H2>20ppm的一组被测者,其BMI指数比其他被测者高6.7kg/m2。其BMI指数达到34.1kg/m2 ± 10.9%。那么“34.1 kg/m2”是什么概念呢?让我们来温习一下BMI的定义和数值吧!

    BMI指数(Body Mass Index),是指用体重公斤数除以身高米数平方得出的指数,即身体质量指数,是目前在国际上常用的衡量人体胖瘦程度以及是否健康的一个标准。成人的BMI数值如下:
    - 过轻:<18.5
    - 正常:18.5 ~ 23.9
    - 过重:24 ~ 27
    - 肥胖:28 ~ 32
    - 非常肥胖:>32

    对照上面的数值,34.1kg/m2已经是“非常肥胖”这一类了。那么BMI偏高的人呼出的CH4和H2为什么比其他人的高呢?那是因为,肥胖者的体内有一些比较特别的微生物【5】,例如史密斯甲烷杆菌,这些微生物会加速多糖和碳水化合物的发酵过程,从而增加了短链的脂肪酸的产量。这些短链的脂肪酸易于吸收,从而导致了更多的能量吸收,从而为体重增加和肥胖创造了条件。这也就能够解释为什么有些人明明吃得不多,但就是减肥困难了。我猜测微生物疗法可能将会成为一种比较流行的减肥疗法,因为该需求的确有痛点。

    要检测0~100ppm的甲烷,性价比比较高的气体传感器是非色散红外(NDIR)的技术。其他技术也可以用,但是会有一些不足。例如,可调二极管激光技术(TDLAS)是可以测低浓度CH4的,但是成本相对比较高;金属氧化物半导体(MOS)也是可以测的,但是其温漂、湿漂和对各种气体的交叉干扰不好克服。


    5. 结束语

    以上的一些气体传感器的应用,基本上都是病患可以直接使用的。但是在医疗相关的行业中,有一些应用病患并不会直接接触到,但会间接地用到。例如用O3给医疗器械消毒,再例如为医疗用水检测含碳总量(TOC)。相关的应用还是挺多的,在将来的文章中,我再一一地给朋友们介绍。


    (审核编辑: KEEP)