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现代医疗保健的发展深受医疗设备进步的影响，而传感器在这一变革中发挥着关键作用。随着对更精确、便携且便于患者使用的解决方案需求不断增长，传感器在医疗领域正变得愈发重要(图1)。
从可穿戴健康追踪器到挽救生命的重症监护设备，传感器能够检测物理、化学或生物变化，并将其转化为可测量的输出，提供实时洞察，从而实现个性化且高效的护理。本文将探讨医疗应用中主要的传感器类型、其在医疗保健中的多样化角色，以及塑造医疗传感技术未来的新兴趋势。
图1：传感器在医疗设备诊断的发展中发挥着关键作用。(来源：Adobe Stock)
传感器类型概述
医疗设备集成了多种传感器技术，每种技术均针对特定生理参数的测量进行定制。这些传感器是现代医疗保健的基本组成部分，能够实现精准诊断、实时监测和先进的治疗干预。
由于其性质和应用的多样性，医疗传感器可通过不同方式进行分类。本文将其分为三大类：生物物理传感器、生化传感器和光学/成像传感器。
生物物理传感器
生物物理传感器用于检测生物系统的物理特性，例如压力、温度、电导率和机械运动。这类传感器通常采用物理转导机制，将生物信号转换为可测量的输出。
压力传感器在患者护理中至关重要，尤其在监测血压、颅内压和呼吸功能方面。它们测量体内或医疗设备中液体施加的力，确保对关键生理状态进行精确且实时的评估。常见于血压监测仪、呼吸机和导管插入系统中，压力传感器显著提升了患者安全性和治疗效率。
温度传感器是另一重要类别，可提供准确的体温读数——一项关键的健康指标。这些传感器嵌入在体温计、恒温箱和可穿戴监测系统等医疗设备中。通过使用热敏电阻、红外传感器或电阻温度检测器，它们支持侵入式与非侵入式体温监测，从而增强临床和家庭环境中的患者护理。
运动传感器，包括加速度计和陀螺仪，可精确追踪运动与方向。广泛应用于康复设备、可穿戴健身追踪器和跌倒检测系统中，这些传感器支持活动能力评估和损伤预防。此外，在机器人辅助手术中，精确的运动追踪对于提升手术精度至关重要。
电化学传感器常用于心电图(ECG)和脑电图(EEG)，用于测量心脏和大脑的电活动。其高灵敏度和快速响应时间使其能够实现实时生理监测，有助于心血管和神经系统疾病的诊断与管理。
生化传感器
生化传感器，又称生物传感器，是利用生物识别元件(如酶、抗体或核酸)来检测特定化学物质的装置。这些传感器在医疗诊断、环境监测和食品安全领域至关重要。
一种常见类型是酶基传感器，其依赖酶促反应来检测特定物质。一个典型例子是葡萄糖生物传感器，广泛应用于糖尿病监测。免疫传感器则利用抗体识别抗原，常用于疾病诊断和药物检测。DNA生物传感器通过核酸杂交发挥作用，成为基因分析和病原体检测的有力工具。
光学和成像传感器
光学传感器利用基于光的技术，在无创诊断和成像应用中起着核心作用。它们是脉搏血氧仪、内窥镜摄像头以及包括MRI和超声在内的多种成像技术的重要组成部分。通过检测光吸收和反射的变化，这些传感器提供有关血氧饱和度、组织成分和血管健康的关键数据，辅助全面的医学评估。
成像传感器，如用于MRI、CT扫描和超声设备中的传感器，可生成内部器官和组织的详细可视化图像。这些传感器通过为临床医生提供高分辨率图像，显著提高了疾病检测与评估的诊断准确性。
医疗设备中的传感器应用
医疗传感器的应用涵盖多个医学领域，包括诊断设备、治疗设备、可穿戴健康设备以及远程患者监护(RPM)。
在诊断领域，生物传感器有助于实现疾病的早期与准确检测。血糖监测仪帮助糖尿病患者维持稳定的血糖水平，而ECG传感器则追踪心脏活动，辅助诊断心脏疾病。
例如，意法半导体公司(ST)推出了一款新型生物传感芯片，专为下一代医疗可穿戴设备设计，包括智能手表、运动手环、智能互联戒指和智能眼镜。ST1VAFE3BX芯片集成了高精度生物电势输入、成熟的惯性传感技术以及AI内核，支持片上活动检测，从而实现更快性能与更低功耗。
作为同类产品中首款双功能生物传感器，ST1VAFE3BX将用于生物电势信号检测的垂直模拟前端(vAFE)与用于运动追踪的三轴超低功耗加速度计集成于一个紧凑的2×2mm封装中。通过完全同步生物电势信号与运动信号，该芯片支持先进的边缘端情境感知分析，同时通过补偿运动伪影提高读数可靠性。
在呼吸护理中，氧气和气流传感器为哮喘和睡眠呼吸暂停等疾病的管理提供关键信息。神经系统传感器(如EEG设备)可监测脑活动，用于检测癫痫发作和评估颅内压。
ST的BrightSense CMOS传感器也非常适用于医疗应用，采用先进像素技术实现紧凑尺寸和超低功耗。这些传感器集成了全局快门技术(可同时捕获所有像素，不同于传统滚动快门)，并结合了3D堆叠、背照式照明和电容深沟槽隔离技术。这一组合实现了卓越的图像质量，使其适用于智能、精准且响应迅速的基于摄像头的系统。
图像传感器广泛应用于医学成像，从数字病理学到内窥镜检查，提升了疾病检测和治疗规划的准确性。
ams Osram公司的NanEyeM(图2)号称是目前市场上最小的、具备全数字输出的医用内窥镜相机模块。该模块专为支气管镜等一次性应用设计，确保高无菌性、大批量生产且成本效益高。
该模块采用“尖端芯片”(chip-on-tip)设计，即将图像传感器和光学元件置于设备顶端(远端)。与将相机模块置于近端的设计相比，这种结构显著提升了图像质量。
图2：ams Osram NanEyeM摄像头模块尺寸紧凑，仅为1.0×1.0×2.7mm。(来源：ams Osram)
除了诊断，传感器在治疗设备中也发挥着关键作用，确保治疗的准确性与安全性。输液泵依靠压力传感器调节药物流速，而假肢和矫形器则使用运动传感器适应患者动作，提升功能性与舒适度。在外科手术中，传感器可精准引导操作流程，减少侵入性并改善患者预后。
TDK公司开发的磁阻传感器首次成功用于无磁屏蔽室环境下测量心脏活动(心磁测量)。心磁测量是一种利用高灵敏度磁传感器检测心脏发出的生物磁场以评估心脏活动的技术。
TDK已开发出一款可测量心脏活动的座椅原型，无需像ECG那样与患者皮肤直接接触。
可穿戴健康技术进一步拓展了医疗传感器的应用范围。智能手表和健身追踪器可监测心率、血氧水平、压力指标和睡眠模式，使用户能实时追踪自身健康状况。运动传感器通过分析运动模式辅助康复，帮助肌肉骨骼疾病患者恢复。
例如，ADI公司的ADPD4101是一款多模传感器模拟前端(AFE)，专为可穿戴健康与健身监测器设计，适用于心率监测、血压估算、SpO₂和水分监测等应用。该AFE最多可驱动8个LED，并测量来自最多8个独立电流输入的返回信号。它支持12个时隙，可在每个采样周期内完成12次独立测量。
该AFE能有效抑制来自异步调制源(如环境光)的信号偏移和干扰，无需使用光学滤波器或外部控制的直流消除电路。其提供多种工作模式，使ADPD4100/ADPD4101可作为传感器中枢，实现对光电二极管、生物电位电极、电阻、电容和温度传感器的同步测量。
RPM是另一重要应用场景，通过配备传感器的设备将实时健康数据传输给医生。该方法在管理高血压和糖尿病等慢性病方面尤为有效，有助于减少医院就诊次数并确保及时干预。在重症监护环境中，传感器持续更新生命体征，辅助医疗决策并提升患者护理质量。
三星电子正通过扩展其Privileged Health软件开发套件(SDK)计划，在数字健康领域迈出重要一步。该计划旨在为开发者和医疗保健提供者提供更全面的工具，推动预防性医疗，并通过战略合作伙伴关系促进创新。
作为该计划的一部分，三星将向多个医疗平台共享Galaxy Watch(图3)的数据，包括用于常规健康监测的Biofourmis、用于预测慢性肾病患者高钾血症的Kencor Health、用于心脏病管理的Medical AI，以及专注于女性健康与生育能力的平台Oova。
此外，三星还与提供远程身心治疗的虚拟诊所XRHealth合作，并与生物反馈视频平台Healium建立合作关系。
图3：三星Galaxy Watch。(来源：三星电子)
人工智能与传感器技术的融合是推动医疗设备发展的关键驱动力。通过对传感器生成的海量数据进行分析，人工智能能够识别模式，并在健康问题显现前进行预测。这种AI与传感器的结合有望彻底变革个性化医疗，实现基于个体健康数据的定制化治疗。
(责编：Franklin)
