气体传感器在医疗仪器中的应用

 

气体传感器在医疗仪器中的应用

 

 

 

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。