用以健康监控的微型光学传感系统

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1、万方数据生命科学仪器2009第7卷／5月刊技术与应用用以健康监控的微型光学传感系统孙震宏(上海交通大学生命科学技术学院，上海200240)摘要家庭健康监控是现代医疗的一个新兴领域，其目的主要在于监控老年人的机体功能，改善老年人的日常生活质量。一套完整的健康监控系统可以粗略地包括传感器、信号处理单元和通讯单元等功能模块。由于兼具灵敏和便于微型化的特点，光学传感系统逐渐成为研发的焦点，本文中我们将重点讨论两类光学传感系统：(a)以脉搏血氧计为代表的非侵入式光学传感系统；(b)以微型谐振器为例的用于体液检测的光学传感系统。这两个研究领域的目标都是希望能利用现有的

2、半导体和集成化领域的工程技术来实现微型化、便携式、低成本的传感系统。关键词健康监控系统；光学传感系统；脉搏血氧计；微型谐振器；硅cMOS工艺；波导近年来，中国和全世界的老年人口持续增多，世界上超过65岁的老年人预计在2025年会超过8亿人。到2050年，世界人口的20％会超过65岁，达到25亿人I¨。2007我国卫生医疗总费用为1．1亿人民币，占GDP的比重尚不足5％陀1；而美国2007年总的医疗开支达到了2．4万亿美元，约占其GDP的17％⋯。在逐年增长的全球医疗费用中，老年人的医疗保健开支占了相当的比重。作为老年人医疗保健的一个重要组成部分，家庭健康监

3、控系统正成为一个蓬勃发展的市场。利用微型化、便携式、集成化的健康监控系统，老年人在家中就可实现针对器官功能和疾病状况的生理或生化参数的实时检测、数据分析、信息传输和提示预警。这将有助于提高老年人的生活质量，控制和改善一些慢性疾病的治疗效果，并降低医疗开支。例如，氧是维持人体生命活动的关键物质，血氧饱和度是反映机体供氧是否正常的一个重要指标。对于患有慢性障碍性肺部疾病(COPD)、充血性心脏疾患(CHF)和哮喘等慢性疾病的病人来说，监控血氧浓度对于早期发现危急状况和控制疾病的进展非常重要。如果这种监控可以通过一种便携、低成本的方式在病人家中进行，将大大提高病

4、人的生活质量，并且能节约在医疗机构中昂贵的费用开支。医学实践已经证实，血氧浓度监控对于防治婴儿意外死亡综合症与老年人的家庭保健也有很大帮助。血氧浓度的监控只是健康监控的一个例子，针对各种不同的人群和疾病，往往需要监控各种不同的生理和生化指标，例如血糖、电解质、尿素、肌酐等就是一些常见的疾病监控指标。一套完整的健康监测系统通常包括以下几个主要的功能单元：用于检测某项身体健康指标的传感器，将原始检测信号转换为可分析数据的信号处理单元，以及负责检测数据传输、预警等功能的通讯单元。选择并集成合适的低成本的传感器，低功率电源，结构紧凑的信号处理系统，以及一种低能耗的

5、通讯方式，对于实现芯片尺寸的健康测控系统至关重要。近年来应用于生物医学领域的传感技术发展迅猛，许多不同类型的传感器都已经有文献报道或是商业化生产。然而，这其中许多类型的传感器体积较大，灵敏度不高，在使用过程中耗能较大。兼具灵敏性和便于微型化特点的光学传感器由此成为研究者们关注的焦点，并随着近年来分子识别、微流体、材料学、微型加工等技术的发展和融合，逐步从实验室走向实际应用。例如光纤、倏逝波、平面波导、时间分辨荧光、电化学发光、表面等离子共振、微型谐振器等技术都已经被广泛地应用于各种不同原理的光学传感器的开发M1。这些光学传感器被广泛地应用于各种化学成分或生

6、物大分子的检测。本文将重点讨论两类用于健康监控的微型光学传感系统，一类是以脉搏血氧计为代表的非侵入的光学检测系统；另一类是使用体液的监测系统，以微型谐振器为例。1非侵入的光学检测系统所谓非侵入的检测方式即在检测过程中不会对人体造成任何损伤。目前血氧检测的标准二手段是利用脉搏血氧计，检测以无创的方式进行，其主要原理是通过固定在指尖上下表面的发光：二极管和光电检测器来检钡1660nm红光和940nm红外光通过指尖时的吸收47万方数据技术与应用值，结合氧合血红蛋白和还原血红蛋白独特的光谱吸收特性计算出血氧饱和度值。但是目前市场上大部分的脉搏血氧计存在使用上的缺陷

7、，如体积庞大，由于导线的存在限制使用者的移动，只具备有限的准确范围，以及仪器资源无法得到合理有效的配置等。下一代的脉搏血氧计将更加准确，可直接佩戴，并且满足无线通讯条件，从而可以应用于更多的场合。光学系统、信号处理、无线通讯、电池都被集成到一个可以持续监测血氧浓度的传感探头上，监测数据和预警信号可以通过无线传输。这种套微型检测系统的几个重要的技术层面包括：低功率电源的整合，，几何学优化配置的光源和光电检测器，降噪处理，低能耗的信号处理过程，通过低成本的硅CMOS工艺来实现无线通讯，以及方便持续佩戴的外包装等。通过将信号处理与无线通讯相整合，可以实现血氧浓度

8、的直接计算、压缩并间隔传输I51。把多个光发射二极管(LEDs)与