氣體傳感器在醫療儀器中的應用

 

 

 

2020年春節期間我國發生了嚴重的新型冠狀病毒（2019-nCoV）感染的肺炎疫情，這是繼2003年非典（SARS）疫情以來較嚴重的全國范圍的疫情。黨和國家領導人，還有廣大的人民群眾對這次的疫情給予了高度重視。首先，我們為戰斗在第一線的醫生、護士、指戰員、工程技術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。

 

春節期間，有朋友在問，傳感器在醫療領域有哪些應用呢？這是一個很好的問題，也是一個很大的課題。首先，我們還需要從醫療儀器行業說起。

 

醫療儀器行業在中國算是一個新興的行業，并且是一個產值萬億級的行業。市場是巨大的，但挑戰也是巨大的，難度在于：需要大量的資金和技術人才，設備研發和臨床實驗時間長，從立項到臨床實驗完成很可能需要五、六年時間；好處在于：高的準入門檻屏蔽了比較多的競爭對手，并帶來較高的利潤空間。

 

和醫療行業比起來，整個傳感器行業的產值可能還不到醫療行業產值的1/10，但是醫療儀器是非常依賴于傳感器行業的，因為人體內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測。

 

因為本人較為熟悉氣體傳感器，那么我就在本文中介紹一些氣體傳感器在醫療儀器中的應用吧。

 

 

1. 醫用氧氣傳感器

 

在醫療的過程中，輸氧是經常看到的。醫用氧氣從鋼瓶中釋放出來，可以經過鼓泡瓶加濕，病人直接吸入。而有些醫療設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、麻醉機、高壓氧倉和嬰兒培養箱。

 

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療設備，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。傳感器的響應速度從幾百毫秒到十幾秒鐘不等。醫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個標準大氣壓強下，100%vol全部都是被測氣體。

 

眾說周知，醫療儀器價格不菲，氧氣測量在整個醫療儀器中是很小的一塊功能，對可靠性要求很高。有些性能是醫用氧氣傳感器必須具備的，如：線性極好、響應速度快、耐高溫、耐高濕、對流量不敏感、對麻醉氣體無反應、壽命長。現在最常用是電化學氧氣傳感器，即傳統的氧電池。氧電池內部是含鉛（Pb）的，氧氣進入傳感器之后，Pb逐漸被氧化成PbO2。所以，氧電池壽命只有1年左右。作為替代產品，有些醫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雜，價格也比較高，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箱中，氧氣傳感器也是必須的。因為如果培養環境中氧氣濃度過高，很可能導致所培養的人體組織參數達不到預想的效果，無法移植到人體中去。

 

 

2. 醫用CO2傳感器

 

CO2傳感器的技術路線主要是非色散紅外原理（NDIR）。

 

醫用CO2傳感器的應用場合比較多樣化，其中第一重要的還是呼吸機、麻醉劑和嬰兒培養箱等，用于監控人體的生命體征。

 

醫用CO2傳感器第二個重要的應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，發展到最后，最嚴重的就是胃癌。臨床上檢測Hp最簡單的方法是服用碳13標記的，或者碳14標記的尿素。服用完10 ~15分鐘，病人體內Hp所產生的高活性尿素酶就會將尿素分解為氨（NH3）、13CO2或14CO2，少量13CO2或14CO2通過血液經呼氣排出。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，而常規的12CO2的紅外吸收光譜在4.26um附近。因為14C是有放射性的，經過Beta衰變之后會生成14N，所以測量14CO2用的是Beta射線檢測的方法。Beta射線，其實就是電子。測量13CO2和14CO2的方法雖有不同，但對診斷Hp都是有效的。因為14C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第三個重要的應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所對應的這個時間點是很多醫學測量的時間基準，所以能夠準確并且快速地對呼氣末進行響應，是CO2傳感器很有價值的地方。

 

 

3. 麻醉氣體傳感器

 

麻醉學是醫學里的一個分支，氣體麻醉又是麻醉學里的一個小分支。【1】

 

19世紀，人們發現了氣體麻醉劑，有氧化亞氮、乙醚、氯仿、乙基氯化物。到了20世紀上半葉，發現了乙烯、乙烯醚、環丙烷、三氯乙烯、異丙烯乙烯醚、丙基甲基醚氯乙烯醚。20世紀下半葉，發現了乙基乙烯醚、氟烷、甲氧氟烷、恩氟醚、異氟醚、地氟醚和七氟醚。

 

1950年之前所發現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道；乙烯、乙醚、乙烯醚、環丙烷具有易燃性；氯仿、氯乙烯、三氯乙烯具有毒性。所以，這些氣體已經不再用作麻醉劑。

 

現在最先進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性，是當今比較優秀的麻醉氣體，其使用量不斷增長。麻醉用氟醚的濃度從百分之零點幾到百分之幾，因具體情況而定。在線監測的方法為NDIR紅外法，幾乎每臺麻醉機都要配備氟醚的分析儀的。因為NDIR法的高可靠性、高精度、響應速度快和優異的長期穩定性能夠滿足醫療的需要，所以紅外法是唯一認可測量氟醚的技術。紅外氟醚傳感器用量大，基本上都由醫療儀器公司自己研發、制造。

 

 

4. 呼氣檢測和診斷

 

人體呼氣檢測，作為無創性、快速、廉價的檢查手段，越來越受到醫療界的重視，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】

哮喘的病理基礎是慢性氣道炎癥。呼出氣中NO濃度測定是一種無創性的、可重復的快速檢測方法，可以直接檢測并立即得出結果。NO的濃度范圍是0~100ppb（1ppb表示十億分之一）。在病情惡化時，FeNO可升高，并與類固醇治療前的嗜酸粒細胞性炎癥和氣道高反應相關。抗炎治療后，她會迅速降低，提示治療有反應，并可用于監測治療方案。FeNO測定增加了哮喘的檢測手段，已被采納到《全球哮喘防止創議》（GINA）哮喘管理方案中。下面列舉一下FeNO的優點：

- 無創，可重復

- 可用于所有年齡的人群

- 快速檢測，可以立即得到結果

- 符合相關標準化的一致性原則

- 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

- 與嗜酸細胞性炎癥有關

- 抗炎治療可迅速降低，并可預測反應

- 病情惡化期間升高，提示病情失控

- 可用于監控治療是否對癥

- 美國FDA批準該技術可以用于臨床

- 可以預測潛伏期哮喘

 

用于FeNO檢測性價比最高的傳感器是電化學傳感器。當然，這可不是普普通通的電化學NO傳感器，要在復雜的人體呼出氣體中檢測出ppb級別的NO并非易事。不過，國內已經有醫療儀器公司實現了本設備的研發，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，需經小腸粘膜的乳糖酶水解后才能被吸收。世界上大多數人在斷乳之后，隨著年齡增長都會出現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出現腹痛、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，哺乳類動物呼氣中測不出H2，當未消化吸收的碳水化合物進入大腸時，被大腸菌群分解發酵產生H2，并被血液吸收，經肺排出，呼氣中H2濃度值越高表明未被消化吸收的部分越多。對大量人群的調查研究證明，H2呼氣試驗具有較高的靈敏度和特異性，是目前被用來進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。

 

因為呼出的H2濃度范圍在0~100ppm（1ppm為一百萬分之一）之內，因此可以用電化學傳感器來檢測。但是在所有電化學傳感器中，H2傳感器是屬于不太好研發和生產的一種，例如分辨率無法做到和CO傳感器一樣好，零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移也是比較大的，響應時間比較慢。

 

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：“我喝涼水都發胖。”科學家們經過研究發現，肥胖跟人體內的微生物群落有關系。

 

R. Mathur等人在論文【4】中設計了一個實驗，找來792個人作為樣本，進行了如下的實驗：

1. 將10克乳果糖和250克水混合喝下；

2. 在2小時之內，每隔15分鐘做一次呼氣檢測，測量CH4濃度和H2濃度。

 

實驗發現，CH4>3ppm并且H2>20ppm的一組被測者，其BMI指數比其他被測者高6.7kg/m2。其BMI指數達到34.1kg/m2 ± 10.9%。那么“34.1 kg/m2”是什么概念呢？讓我們來溫習一下BMI的定義和數值吧！

 

BMI指數（Body Mass Index），是指用體重公斤數除以身高米數平方得出的指數，即身體質量指數，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標準。成人的BMI數值如下：

- 過輕：<18.5

- 正常：18.5 ~ 23.9

- 過重：24 ~ 27

- 肥胖：28 ~ 32

- 非常肥胖：>32

 

對照上面的數值，34.1kg/m2已經是“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？那是因為，肥胖者的體內有一些比較特別的微生物【5】，例如史密斯甲烷桿菌，這些微生物會加速多糖和碳水化合物的發酵過程，從而增加了短鏈的脂肪酸的產量。這些短鏈的脂肪酸易于吸收，從而導致了更多的能量吸收，從而為體重增加和肥胖創造了條件。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成為一種比較流行的減肥療法，因為該需求的確有痛點。

 

要檢測0~100ppm的甲烷，性價比比較高的氣體傳感器是非色散紅外（NDIR）的技術。其他技術也可以用，但是會有一些不足。例如，可調二極管激光技術（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. 結束語

 

以上的一些氣體傳感器的應用，基本上都是病患可以直接使用的。但是在醫療相關的行業中，有一些應用病患并不會直接接觸到，但會間接地用到。例如用O3給醫療器械消毒，再例如為醫療用水檢測含碳總量（TOC）。相關的應用還是挺多的，在將來的文章中，我再一一地給朋友們介紹。