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生物医学工程

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关于生物医学传感器与医疗保健系统的应用研究

  【摘 要】 随着现代生物技术的发展,对生物医学传感器的研究进入了全新的阶段,生物医学传感器作为现代医疗保健系统的主要发展驱动力有着低成本、高质量的特点。其中,生化传感器和微传感器的发展更加迅速,针对生物医学传感器的原理、发展、应用情况进行分析论述,可以更深入的了解生物传感器和医疗保健系统的应用近况。

  【关键词】生物医学传感器 医疗保健 应用

  1 引言

  随着世界人口的日益老龄化,对于生物医学传感器的开发研究提出了更高的要求,医学传感技术的发展可以更好地预防、检测、治疗各种疾病,它作为医疗保健系统的重要组成部分在应对疾病挑战中发挥着至关重要的作用。医疗保健系统发展的关键因素在于应用高级功能生物材料和研发新型技术创造智能、微型、可靠、成本低、多功能、高效率的生物医学传感器,实时对人体的状态以及功能进行连续性监控和检测,确保在不间断的观察下及时发现疾病并做出及时的治疗。

  2 生物传感器简介

  (1)生物传感器定义。生物传感器是指:利用具有固定化的生物分子与换能器结合,用于侦察生物体内或生物体外的环境化学物质以及和它发生特异性交互反应并产生响应的装置。生物传感的关键组成部分主要有两个,其一是来自于生物体组织部分、生物体分子和个体细胞的分子辨认组成部件,这一部分是生物传感器的信号产生和接收部分,另一部分为仪器的硬件组成部分,主要用于物理信号的相互转换,检测元件主要为光学检测和电化学组成。随着科技的发展,不断涌入新材料、新原理、新技术,特别是生物芯片技术和微电子机械系统的出现,使得生物传感器逐渐发展成为具有微型化、智能化、集成化以及芯片化为特点的处理、生物检测的微系统。(2)生物医学传感器工作原理。生物传感器的使用原理为:被检测的物质通过扩散用与生物活性材料相结合,经过分子的特异性识别后,发生化学或物理反应进而产生一系列的信息,相应的化学或物理换能器将这些信息转变成可以处理和可以定量的电信号,这些电信号再通过信号处理系统输出,便能检测出待测物质的相关信息。

  3 生物医学传感器的应用

  生物医学传感器可以实时的对生物大分子之间的相互作用进行检测。通过动态观察抗体、抗原之间的结合作用以及解离关系,准确计算抗体的亲和力强弱,对人们了解单克隆抗体以及有目的的筛选具有应用潜力的单克隆抗体具有重要作用。(1)临床应用。利用生物医学传感器可以用来检测例如乳酸、血糖、谷氨酰胺等具有临床意义的基质。对患者的血药浓度进行检测,使得以前的依靠经验治疗转变为依靠科学治疗,对临床检验具有指导性意义。依靠科学的手段对其检测能大幅度减小药物的毒性作用,抑制毒性的发作。现如今,血液中葡萄糖的检测广泛使用的为葡萄糖酶传感器,并已取得大众的认可。乳酸测定仪作为目前研究最为成功的一款商品酶传感器,可以检测由于肌肉持续运动产生的乳酸代谢产物的含量,具有现实性意义。(2)生物医药领域的应用。在应用生物工程技术生产药物过程中,使用生物传感器监视各时段生化反应特征,可以及时获得数据,对生物工程产品加以实施监测,保证生物产品质量。生物传感器应用于癌症药物的研发起到了巨大的作用,目前,在进行癌症药物研究时,提取患者的癌症细胞培养,分别把各种药物作用于细胞,利用生物传感器观察癌症细胞对每种药物的反应,从中选择最为合适有效的治疗药物。

  4 生物医学传感器发展趋势

  及时了解身体状况、获得身体健康信息是预防疾病的基础措施。积极预防、早期诊断是系统性的预防疾病的重要方式。生物医学传感器作为一种新型医疗设备可以及时获得这些信息,对于重病患者、慢性病患者以及从事特殊职业的危险作业人员来说,使用穿戴式传感器或无线植入式传感器对其重要的身体信息特征进行实时监测显得尤为重要。医学领域的发展要求与生物传感器的发展密切相关,利用生物传感器对疾病患者进行实时监测以及对患者进行筛查也变得越来越重要。远程医疗、一次性使用传感器、远程会诊业务会随着家庭护理需求的增加而逐步发展扩大。这些因素决定了未来生物医学传感器的发展方向会是具有低成本、低功耗、智能化、微型化、多功能、远程供电、无损检测、无线传输等特点。

  (1)具有无损特点传感器。在当前的医学领域上有着多种方法对相关医学参数进行检测,生化医学传感器大多是采用侵入式的方法对患者进行检测,这样会对患者带来一定的痛苦,不利于诊断的进行。因此,选用非侵入式的无损医学传感器进行检测成为了最理想的检测方法,开发具有无损特点的医学传感器也是生物医学传感器发展的重点。(2)纳米传感器。纳米技术是在原子和分子水平上完成对材料的设计、操作以及使用,并可以使材料产生新的功能特性、生物特性、化学特性、机械特性,生物医学传感器与纳米技术的相结合有很大的发展潜力。尤其是生物芯片、纳米生物传感器以及微型智能化医疗器械等方面的发展会对疾病的诊断、治疗以及保健等方面发挥积极有效的作用。(3)人体局域网和无线传感器。当前医学上对重病患者的监测主要采用ICU等设备,然而ICU设施具有一些不利特点,例如:线路繁多、设备复杂、价格昂贵、难以移动等,并且过于繁多的线路会对患者的心里造成一定影响,制造紧张情绪,在这种影响下会导致对患者的诊断数据与真实情况发生偏差。针对这一情况研发的无线医学传感器,在其外部设备没有线路连接,并通过无线通讯设施与无线传感器网络连接,可以保证患者在正常的自由活动下完成检测,这样可以确保检测更加准确、方便。

  人体局域网是指将人体周围可植入、可穿戴、可侵入的无线医学传感器,例如腕表型血糖传感器、可在指尖穿戴的血氧传感器、心电传感器、血压传感器、呼吸传感器等和便携式的信息采集装置或是具有特殊功能的手机相连接组成无线系统。人体局域网可以自动诊断并对相应情况发出报警信号。它在生物医学传感器的发展中起着极大的推动作用。

  5 结语

  随着人类基因组计划的提出与实施,使得与医学、生物学、食品、卫生等学科相关的各类生物传感器得以极速发展,并给生物传感器的进一步研究提供了适宜的条件和平台。因此,相信在未来一段时间内,会有不断的新型传感器被研发和发展,并会在生物信息研究、疾病诊断治疗、基因检测等方面展现极大的推动作用。

  参考文献:

  [1]潘晓苹,汪天富,张新宇.基于6S理念的生物医学传感器实验室管理探索.《信息通信》,2013,8(4):116.

  [2]陈鲁英,刘忠国,刘伯强.生物医学传感器与医疗保健系统的发展趋势.《医疗卫生装备》,2012,9(12):56.


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