贵州医疗气体向您介绍：气体传感器在医疗仪器中的应用

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。

相关文章