传感器在人们以往的印象中更多与工业相关联,如今先进的传感技术和设备已在医疗领域遍地开花,在当下防控疫情的大环境下,传感与医疗的结合又将为公共卫生做出怎样的贡献呢?

 

 

 

 

自疫情爆发以来,医疗设备行业的重要性又被提升到了新的高度,与此同时,相关诊疗配套设施以及个人健康护理的意识不断增强,促进了家庭健康医疗和设备市场需求的增长。另一方面,数字化、智能化、网联化、可移动性等技术的进步,也推动着医疗电子技术的发展,为行业带来多元化的增长预期。

 

医疗设备所依赖的传感器产品也受到了众多关注。作为数据采集的关键一环,传感器不仅在工业领域、电子设备中发挥着重要的作用,在医疗行业也扮演着重要的角色。

 

五花八门的检测手段

 

在新冠疫情期间,对人群以及新冠病毒的高质量检测是应对当前危机的重中之重。对于频繁、低成本、快速、大批量且精准的检测的巨大需求,使得高灵敏度、快速的新型传感器应运而生。国内外厂商、研发团队在新型传感器的研发上也取得了不同程度的进展。

 

麻省理工学院和哈佛大学的工程师们联合开发了一种新型口罩,将传感器嵌入织物中,在短短90分钟内就可诊断出佩戴者是否患有COVID-19,准确性堪比标准的PCR检测。

 

这种一次性传感器的设计基于冷冻干燥的无细胞传感器组件。由于蛋白质和核酸产生合成基因网络,与可能嵌入到纸张中的特定目标分子发生反应,再基于CRISPR(规律间隔成簇短回文重复序列)技术,可实现对核酸的高灵敏度检测。

 

这些组件可用于细胞读取DNA、产生RNA和蛋白质的分子,从细胞内提取出来后经过冷冻干燥,可稳定保持数月,直到被液体激活。之后,组件与目标DNA或RNA序列(例如:COVID-19抗原)相互作用,如果检测到该物质,颜色会改变。当嵌入合成织物时,传感器被硅胶环包围,以防止样品蒸发或扩散到传感器之外。

 

麻省理工学院和哈佛大学开发的新型口罩(图片源于MIT)

 

为实现更快、更广泛的新冠病毒检测,美国科学家设计出两款基于病毒蛋白的生物传感器,可识别病毒表面的特定分子,当与新冠病毒的组成成分或靶向病毒的抗体混合时,传感器就会通过生化反应发光。

 

鉴于此,该研究团队还发明了另外一款生物传感器,当与新冠病毒抗体混合时,这款传感器也会发光。且这款传感器不会对血液中的其他抗体——包括针对其他病毒的抗体产生反应,这对于避免假阳性非常重要。

 

基于在玻璃基质上制备的金纳米结构,一个瑞士研究小组在去年就开发出了一种能够灵敏、可靠地检测到空气中新冠病毒的生物传感器,研究人员将人工合成的与新冠病毒RNA序列相匹配的DNA受体“嫁接”到上述金纳米结构上,使其能够识别新冠病毒。这种新型传感器检测病毒的过程还利用了“局域表面等离子体共振(LSPR)”和“等离子体光热(PPT)”两种不同的效应,以增加检测的可靠性。

 

由云南大学化工学院教授、相关实验室的研究员们共同组建的跨学科攻关研究团队也研发出了能够检测COVID-19病毒的电化学传感器。由于电化学传感器操作简便、检测成本低廉,且灵敏度和准确性也更高,该传感器有望在未来为新冠肺炎疫情的防控和诊断提供新的检测方法。

 

医疗设备的数字化变革

 

数字化是改变医疗行业的原动力,传感器则是关键。新型医疗传感技术的发展,为完全不同的医疗理念创造了条件。这种新型监测方法替代了过去医院中所用的大型、固定式医疗监测设备,取而代之的则是使用具备以下特点的设备:

1)小型,甚至是可穿戴的设备;

2)功耗极低,可用电池供电的移动设备;

3)提供更加精准的临床级测量结果。

 

这吸引了不少工业自动化企业加紧布局医疗领域,世界各地的研究团队也正努力开发除了传统传感器技术以外的新型传感技术。

 

传感器撬动医疗行业

 

传感器在医疗行业中的应用广泛而重要,能够极大程度提升医疗设备的安全性、可靠性和稳定性,比如各种物理、化学、生物传感器被设计制造成设备仪器来测量采集人体的各项生理学指标。

 

具体来看,在医疗设备相关行业,主要涉及到流量、压力、湿度、温度、红外、氧气等传感器,监测和控制各项指标,同时支持保障稳定的运行。比如,疫情常态下所经常用到的测温计以及心率、血压、呼吸等指标测量需要用到红外传感器;诸多医院使用的空气控制系统会用到高精度压差传感器;在疫苗生产、储藏、运输过程中所需设备少不了温湿度传感器的加持。

 

小小的传感器在医疗行业发挥着极其重要的作用,其未来的市场空间巨大。根据MarketsandMarkets的最新报告数据显示,全球医疗传感器市场规模预计将从2021年的18亿美元增长到2026年的30亿美元,2021-2026年期间的复合年增长率为10.3%。

 

未来的发展趋势

 

我们看到,医疗设备行业正在向越来越数字化、网络化、智能化、专业化的方向发展。医疗设备行业又是一个多学科交叉、知识密集、资金密集的高技术产业,涉及到医药、机械、电子、塑料等众多行业。可以说,高新技术医疗设备就是建立在数字化与计算机化的基础上,是多学科、跨领域的现代高技术成果。

 

未来,医疗设备的制造技术发展正在呈现出以下趋势:

1、计算机技术在医疗设备中得到了更加广泛的运用;

2、硬件性的器械更加智能化,并得到了更加成熟的信息数据库的支持,器械和系统内部的功能也更加复杂,而外部操作方式更趋简洁化;

3、更为智能化、简易化的产品,将保健工作从医院向社区和家庭不断延伸;

4、在产品的开发过程中,生物学与物理学工程设计深度交叉融合,复合型集成化的趋势尤为明显。

 

给我一个传感器,我将撬动整个医疗行业,这句话看来正在成为现实。我们也相信在更多技术的加持下,医疗诊治的方法也将不断完善,回馈给人们更多福祉。