Rozdelenie biomedicinských snímačov

   V biomedicínskych aplikáciách sa používajú snímače, ktoré pracujú na základe rôznych princípov. Práve z hľadiska princípu činnosti rozdeľujeme senzory pre biomedicínske aplikácie na:


  • fyzikálne,
  • chemické.


V prípade fyzikálnych senzorov sa merajú najčastejšie parametre:


  • geometrické (rozmery, tvar,..),
  • mechanické,
  • tepelné,
  • hydraulické,
  • elektrické,
  • optické (napr. monitorovanie okysličenia krvi, meraním arteriálnych krvných plynov).


Tab. Fyzikálne premenné a snímače


   Z aplikačného hľadiska to znamená napr. meranie svalovej dispozície, tlaku krvi, telesnej teploty, toku krvi, tlaku cerebrospinálnej tekutiny, rastu kostí a pod. Za bližšiu zmienku so zreteľom na biomedicínsku aplikáciu stoja špeciálne dva typy fyzikálnych senzorov:
  • senzory elektrických javov v organizme (elektródy) pre biopotenciálové merania – majú špeciálnu úlohu v diagnostickom aj terapeutickom procese (známe sú napr. elektródy snímajúce elektrokardiogram, elektrický signál produkovaný ľudským srdcom),
  • optické senzory – využívajú svetlo na zber informácií. V prípade vláknových optických senzorov, je svetlo súčasne prenosné médium.


   Práve optické senzory nachádzajú v súčasnosti široké aplikačné uplatnenie v oblasti biomedicíny. Vyzdvihuje sa hlavne ich elektromagnetická imunita, elektrická izolácia, široký dynamický rozsah a bodová aj rozložená konfigurácia. Svetelné žiarenie u týchto senzorov sa mení prostredníctvom javu, ktorý je meraný (obr. 1).


Obr. Bloková schéma optického snímania


Svetlo môže pri prechode meranou oblasťou meniť 5 svojich optických vlastností:
  • intenzitu,
  • fázu,
  • polarizáciu,
  • vlnovú dĺžku,
  • rozloženie spektra.


Optické senzory sa v oblasti medicíny uplatňujú napr.:
  • u spektroskopických biomedicínskych senzorov,
  • pri meraní CO2, O2 a pH,
  • pri meraní toku laserovou dopplerimetriou,
  • v oftalmologických aplikáciách (optické vlákna).


Tab. Príklady biomedicínskych aplikácií fyzikálnych senzorov.


   Druhou hlavnou skupinou sú chemické senzory. V tomto prípade senzory merajú chemické kvantity, identifikujú prítomnosť špecifických chemických zložiek, detekujú koncentrácie rôznych chemických látok a monitorujú chemické aktivity v tele pre diagnostické a terapeutické aplikácie. Na základe metódy, používanej na detekciu chemických zložiek rozdeľujeme chemické senzory na:


  • plynové,
  • elektrochemické,
  • fotometrické,
  • iné fyzikálno-chemické metódy,
  • bioanalytické (biosenzory).


   Plynové chemické senzory využívajú niekoľko princípov, aplikovaných v biomeicín-skych meraniach hlavne v spojitosti s dýchacím systémom. Elektrochemické senzory merajú chemické koncentrácie, alebo presnejšie aktivity, založené na chemických reakciách, ktoré pôsobia na elektronický systém a sú následne snímané.
   Fotometrické chemické senzory sú optické zariadenia, ktoré detekujú chemické koncentrácie prostredníctvom prechodu svetla, odrazu resp. farby. Známy test pomocou acidobázického indikátora je príkladom optickej zmeny, ktorá môže byť použitá na meranie kyslosti alebo zásaditosti roztokov. Iné typy chemických senzorov, ako je napr. látkový spektrometer, využívajú rôzne metódy na detekciu a kvantifikáciu chemických látok, v spojitosti s biologickým systémom.
   Bioanalytické senzory sú často klasifikované ako samostatná kategória chemických senzorov (resp. ako samostatná kategória biomedicínskych senzorov). Majú dva rozdielne komponenty:


  • biologický rozlišovací element,
  • prevodník na konverziu biochemickej reakcie na merateľný parameter.


   Zahrňujú teda biologické reakcie, ako napr. enzým – substrát, antigén – protilátka, ligand – receptor na identifikáciu komplexných biochemických molekúl. Využitie biologických reakcií umožňuje bioanalytickým senzorom aplikovať vysokú senzitivitu a špecifickosť na identifikáciu a kvantifikáciu biochemických substancií. Sú založené napr. na enzymatickej báze (senzor glukózy využívajúci enzymatickú glukózovú oxidázu).
   Jednou z ďalších možností rozdelenia senzorov je rozdelenie podľa účelu použitia, a to na senzory pre:


  • klinickú medicínu - diagnostiku, - terapiu,
  • biomedicínsky výskum (zber dát).


   Senzory pre klinické štúdie musia byť štandardizované tak, aby chyby, ktoré sa môžu vyskytnúť nesprávnou diagnostikou, resp. neadekvátnou terapiou boli minimalizované. Z hľadiska aplikácie na pacienta resp. na výskumný subjekt rozdeľujeme biomedicínske senzory na:


  • nekontaktné (neinvazívne),
  • kontakt na povrchu kože (kontaktné),
  • dočasne zavedené (minimálne invazívne),
  • implantovateľné (invazívne).


   Biomedicínske senzory pracujú na rovnakých, resp. podobných princípoch, ako senzory využívané v iných aplikáciách, hlavným rozdielom je, že prichádzajú do styku s biologickým subjektom resp. prostredím. Prítomnosť cudzích materiálov, špeciálne pri implantovaných senzoroch môže ovplyvniť biologické prostredie, v ktorom sú umiestnené. Na druhej strane môže taktiež biologický systém ovplyvniť činnosť senzora. Uvedené skutočnosti sa špeciálne vzťahujú na dočasne zavedené, resp. implantovateľné senzory. Biologické tkanivo reprezentuje hosťujúce prostredie, ktoré môže degradovať senzorické prvky a tým výrazne ovplyvniť ich činnosť. Závažný je aj vplyv nevhodných materiálov (napr. korozívnych, toxických a pod.) na tkanivá, čo môže mať za následok lokálne, resp. celkové zmeny zdravotného stavu.
   Špeciálnym problémom z hľadiska biokompatibility sú obaly senzorov, ktoré okrem ochrany senzorov by mali takisto chrániť organizmus pred korozívnym prostredím, no zároveň však musia umožniť vzájomnú „komunikáciu“ s biologickým systémom. Väčšina senzorov musí byť sterilizovateľná.