2024 年 3 月 9 日，韩国科学技术院 Jaeho Park 等人在《Advanced Science》（IF=15.1）期刊上发表 “A Review of Recent Advancements in Sensor-Integrated Medical Tools ” 文章，全面系统地综述了传感器集成医疗工具的最新进展。

医疗工具中广泛使用传感器来分析或量化与疾病相关的参数，以诊断和监测患者的疾病。最近，传感器技术取得了爆炸性的进步，通过提供更多功能的体内传感能力，扩展了传感器在医疗工具中的集成和应用。由于微创手术的快速发展，这些独特的传感功能，尤其是用于手术或医疗的传感功能，受到越来越多的关注。本综述将介绍传感器集成医疗工具的最新进展，并全面介绍其必要性、用途和示例。具体而言，综述涵盖了经常用于手术或治疗的医疗工具，例如医用针头、导管、手术机器人、缝合线、内窥镜和插管等，并对每种传感器集成医疗工具的工作机制进行了深入探讨。

 传感器集成医用针头 

生物组织实时监测与分类

目前已开发出许多具有电阻抗检测功能的医用针头，可区分不同组织类型的电特性，用于医疗应用。集成电阻抗传感器的医用针头的主要目的是在针插入过程中，通过测量电阻抗和分析针周围的组织类型来估计针头的位置。

具有电阻抗检测功能的医用针头

具有生化和光学特性分析功能的医用针头

针头可视化实现精确定位

在医疗中插入针头时，通常认为针头可以直接穿透病人的组织。但实际上，针头会发生各种机械变形，主要是由于组织的巨大反作用力和摩擦力而产生弯曲。为了解决这些局限性，一些研究人员探索使用集成到医用针头中的机械传感器来实现实时形状估计。

用于准确定位的传感器集成医用针：通过 i) 嵌入式光纤估计针头的形状，ii) 对远端机械力的多轴分析，iii）在超声成像中使用嵌入式微尺度超声反射探头进行三维针跟踪的成像对比度增强

 传感器集成医用导管 

导管是插入尿道、膀胱和循环系统的空心细软管。导管可通过自然路径进入内脏器官，因此无需进行开刀手术，并可降低手术风险（如组织损伤、切口大小、恢复时间、感染风险和疼痛）。安装导管后，导管可提供营养和药物，或收集各种生物样本。血管导管和泌尿导管是最常见的导管类型。集成传感器的导管可提供有关导管放置、诊断、手术部位监测以及术后组织和并发症的信息，从而在多方面为微创手术带来益处。

血管压力监测

随着硅工艺和微加工技术的发展，微机电系统（MEMS）压阻器被制造成微型产品，使其适用于心血管压力测量。将基于 MEMS 的压力传感器放入外径为 1.67 毫米的双腔新生儿导管中。通过倒装芯片键合，将商用压力传感器安装在硅基板上。MEMS 压力传感器可测量 80-120 mmHg 的压力范围。 迄今为止，微型封装的 MEMS 压力传感器和技术已被多家公司（如 Amphenol、TEconnectivity、Millar）成功商业化，并应用于临床领域，用于微创和介入性压力测量。

血管压力监测

实时监测和辅助手术治疗

a) 实时监测和辅助手术治疗：i) 使用嵌入热电偶的导管解剖射频消融病变的猪左心室，ii) 带有软传感器阵列的多功能导管，用于射频消融和纳米刀消融

b) 监测导管并发症：i) 用于监测和预防泌尿系统生物膜形成的传感器集成导管，ii) 利用双腔导管进行氮氧化物生成和氧分压测量，防止血管内血栓形成

生物标记检测
由于各种心血管疾病（如缺血性症状）都可能导致心脏 pH 值波动，因此在临床中监测心脏 pH 值是必要的。例如，开发了一种集成了弹性 pH 传感器阵列的球囊导管。在对兔子心脏和人类心脏进行的体外研究中，通过实时监测 pH 值分布来检测缺血的人类心脏，充分证明了它的实用性。

生物标记物检测：i）球囊导管上带有电镀氧化铁层的柔性 pH 传感器阵列， ii）带有基于 有机场效应晶体管的传感器的血管导管，用于检测反应蛋白

 传感器集成手术机器人工具  

手术机器人的应用范围迅速扩大，已广泛应用于眼科、心脏外科、胸外科以及小儿外科等各个领域。然而，精确的机器人控制一直是改进机器人手术系统的首要问题。最广泛采用的方法是反馈控制，它可以通过对手术部位进行物理和化学监测来实现。机器人手术系统主要由两部分组成：机械手和末端执行器。在这两部分中，末端执行器一直是集成传感器以监控手术部位的研发重点。这是因为末端执行器直接接触手术部位和需要治疗的病灶。首先介绍集成传感器的机器人手术工具在触觉反馈方面的广泛应用，特别是在医用针头和镊子方面。之后介绍传感器集成机器人手术工具的更多具体用途，如医学培训中的传感器驱动分析、微小力量下的精确组织处理（薄膜剥离和小血管插管）以及近距离放射治疗。

远程机器人手术的触觉反馈

触觉辅助医疗培训

 传感器集成医疗工具及其应用的其他示例  

讨论缝合线、内窥镜和插管等传感器集成医疗工具，以及与核磁共振成像和电阻抗等医疗成像设备结合使用的传感器。

a) 集成传感器的缝合线：i) 带有温度传感器和金加热器的缝合线，ii) 通过无线通信进行连续监测的缝合线
b) 插管：i) 用于气流测量的可转向插管，ii) 使用气管插管测量心脏和呼吸信号

a) 多功能内窥镜：i) 用于诊断和治疗肠道疾病的多功能外科内窥镜
b) 带有传感器的支架：i) 检测心血管支架堵塞情况的自报告装置，ii) 带有软传感器和完全植入式、无线、无电池支架的血管导管，用于多重血液动力学传感
c) 传感器辅助医学成像模式：i) 带有压电传感器的光纤，用于监测和引导导管，ii) 电阻抗与超声波成像一起用于测量电阻抗肌电图，以区分健康组织和病变组织

 总结  

在过去的二十年里，人们开展了大量研究，将各种传感模式纳入医疗工具。这些进步和努力为外科医生和患者提供了有用的信息，从而使医疗更安全、更准确。就医用针头和导管而言，集成各种生物传感器可以通过分析组织类型，更准确地将其植入患者体内。此外，集成多功能生物传感器可为实时监测深层组织和身体内部腔道带来新的机遇。集成传感器收集的信息可帮助临床医生做出正确诊断和进行准确治疗，从而减少对健康组织的伤害，减轻对患者的创伤，缩短康复期。对于机器人辅助手术，在医用机器人中集成物理和化学传感器有可能在医疗过程中提供实时和身临其境的感官反馈。这一进步有可能大大提高远程医疗手术的质量和整体效果。正如综述中所介绍的，传感器融合可扩展到其他医疗和手术工具，例如缝合线、管道、支架和内窥镜。传感器融合实现了对健康相关信息的短期和长期监控，以应对手术前后的并发症。柔性和软传感器技术的最新创新也促进了先进的传感器封装和集成过程。此外，先进的材料设计使医疗设备的功能更加强大，例如可生物降解植入物，无需再进行手术即可从体内取出。

然而，在采用传感器集成医疗工具方面仍存在各种限制和障碍。首先，最先进的传感器技术只能分析有限的生物物理和生物化学参数。大多数生物分析方法高度依赖于笨重的台式仪器，尤其是在检测生物分析物时。为了在医疗过程中实现现场和活体生物分析，应开发具有多功能传感能力、微型化和紧凑型系统的生物分析方法。此外，物理和生物化学传感器的可靠性和准确性有限，限制了它们在医疗领域的应用。这就是为什么传感器集成医疗工具通常只采用一些坚固耐用的传感器，如压力传感器、光纤传感器和电阻抗传感器。最后，所需的接口（如电子元件、机械部件和光学系统等）必须实现微型化和多样化，以便将传感器系统集成到当前的医疗和手术设备中。

文章来源： 超声前沿

关键字：医疗传感器