2020年春節(jié)期間我國發(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)疫情以來較嚴(yán)重的全國范圍的疫情。黨和國家領(lǐng)導(dǎo)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?yōu)閼?zhàn)斗在第一線的醫(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(jié)期間,有朋友在問,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)說起。
醫(yī)療儀器行業(yè)在中國算是一個(gè)新興的行業(yè),并且是一個(gè)產(chǎn)值萬億級(jí)的行業(yè)。市場是巨大的,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,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)入門檻屏蔽了比較多的競爭對手,并帶來較高的利潤空間。
和醫(yī)療行業(yè)比起來,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和在線監(jiān)測。
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)療的過程中,輸氧是經(jīng)常看到的。醫(yī)用氧氣從鋼瓶中釋放出來,可以經(jīng)過鼓泡瓶加濕,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,用來顯示氧氣濃度的,如呼吸機(jī)、麻醉機(jī)、高壓氧倉和嬰兒培養(yǎng)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(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全部都是被測氣體。
眾說周知,醫(yī)療儀器價(jià)格不菲,氧氣測量在整個(gè)醫(yī)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(yī)用氧氣傳感器必須具備的,如:線性極好、響應(yīng)速度快、耐高溫、耐高濕、對流量不敏感、對麻醉氣體無反應(yīng)、壽命長。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(fù)雜,價(jià)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(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)路線主要是非色散紅外原理(NDIR)。
醫(yī)用CO2傳感器的應(yīng)用場合比較多樣化,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(fā)展到最后,最嚴(yán)重的就是胃癌。臨床上檢測Hp最簡單的方法是服用碳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通過血液經(jīng)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(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Beta衰變之后會(huì)生成14N,所以測量14CO2用的是Beta射線檢測的方法。Beta射線,其實(shí)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?yàn)?4C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(gè)重要的應(yīng)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(yīng)的這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是很多醫(yī)學(xué)測量的時(shí)間基準(zhǔn),所以能夠準(zhǔn)確并且快速地對呼氣末進(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?!?】
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。例如,七氟醚就具有快速失去知覺性和快速恢復(fù)性,是當(dāng)今比較優(yōu)秀的麻醉氣體,其使用量不斷增長。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。在線監(jiān)測的方法為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)異的長期穩(wěn)定性能夠滿足醫(yī)療的需要,所以紅外法是唯一認(rèn)可測量氟醚的技術(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. 呼氣檢測和診斷
人體呼氣檢測,作為無創(chuàng)性、快速、廉價(jià)的檢查手段,越來越受到醫(yī)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(nèi)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(shù)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(chǔ)是慢性氣道炎癥。呼出氣中NO濃度測定是一種無創(chuàng)性的、可重復(fù)的快速檢測方法,可以直接檢測并立即得出結(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(chuàng)議》(GINA)哮喘管理方案中。下面列舉一下FeNO的優(yōu)點(diǎn):
- 無創(chuàng),可重復(fù)
- 可用于所有年齡的人群
- 快速檢測,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)控治療是否對癥
- 美國FDA批準(zhǔn)該技術(shù)可以用于臨床
- 可以預(yù)測潛伏期哮喘
用于FeNO檢測性價(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出ppb級(jí)別的NO并非易事。不過,國內(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【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(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,隨著年齡增長都會(huì)出現(xiàn)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(huì)出現(xiàn)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(fā)生率在一定程度上限值了人們攝入奶制品。
正常情況下,哺乳類動(dòng)物呼氣中測不出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程是怎樣的呢?簡單的說有這樣幾個(gè)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?yàn)楹舫龅腍2濃度范圍在0~100ppm(1ppm為一百萬分之一)之內(nèi),因此可以用電化學(xué)傳感器來檢測。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
有人說:“我吃什么都不胖。”也有人說:“我喝涼水都發(fā)胖。”科學(xué)家們經(jīng)過研究發(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,測量CH4濃度和H2濃度。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),CH4>3ppm并且H2>20ppm的一組被測者,其BMI指數(shù)比其他被測者高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(shù)值,34.1kg/m2已經(jīng)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?yàn)?,肥胖者的體內(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0~100ppm的甲烷,性價(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)是可以測低濃度CH4的,但是成本相對比較高;金屬氧化物半導(dǎo)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(jié)束語
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)療用水檢測含碳總量(TOC)。相關(guān)的應(yīng)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)