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        貴州醫療氣體向您介紹:氣體傳感器在醫療儀器中的應用

        信息來源:www.biceg.cn | 發布時間:2022年07月08日

        貴州醫療氣體向您介紹:氣體傳感器在醫療儀器中的應用

        1. 醫用氧氣傳感器

        在醫療的過程中,輸氧是經??吹降?。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?,F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?!?】


        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??寡字委熀?,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。



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