常用傳感器在醫學領域的具體應用
發布時間:2015-05-20 責任編輯:xueqi
【導讀】在醫學領域,傳感器起到的是“耳目”dezuoyong,chuanganqizhongleifanduo,yongchubuyi。benwenjiangweidajiaxiangxidijieshaochuanganqidezuchenghefenlei,bingfenximuqianchangyongdejileichuanganqizaiyixuelingyudejutiyingyong。
計算機技術、數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)技(ji)術(shu)以(yi)及(ji)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)近(jin)年(nian)來(lai)發(fa)展(zhan)迅(xun)速(su),相(xiang)關(guan)的(de)領(ling)域(yu)也(ye)因(yin)此(ci)得(de)到(dao)了(le)推(tui)進(jin),醫(yi)學(xue)領(ling)域(yu)的(de)發(fa)展(zhan)更(geng)加(jia)顯(xian)著(zhu)。可(ke)以(yi)看(kan)到(dao),在(zai)醫(yi)學(xue)科(ke)技(ji)領(ling)域(yu)中(zhong)出(chu)現(xian)了(le)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)高(gao)科(ke)技(ji)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin),例(li)如(ru)自(zi)動(dong)生(sheng)化(hua)分(fen)析(xi)儀(yi)、全身伽馬刀治療係統以及多層螺旋 CT 和MRI 等,傳感器在醫學領域中的應用同樣非常廣泛,傳感器能夠發揮感受生命體征信息的重要作用,對推動現代醫學發展有重要意義“,八五”重點科技攻關項目之一就是傳感器,因此研究傳感器是發展當代醫學的必由之路。
1 傳感器的組成與分類
傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)常(chang)由(you)兩(liang)個(ge)部(bu)分(fen)組(zu)成(cheng),即(ji)轉(zhuan)換(huan)元(yuan)件(jian)和(he)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)。其(qi)中(zhong)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)就(jiu)是(shi)能(neng)夠(gou)直(zhi)接(jie)響(xiang)應(ying)或(huo)者(zhe)感(gan)受(shou)被(bei)測(ce)量(liang)的(de)部(bu)分(fen),而(er)轉(zhuan)換(huan)元(yuan)件(jian)就(jiu)是(shi)將(jiang)測(ce)量(liang)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)信(xin)號(hao)的(de)那(na)部(bu)分(fen)。按(an)照(zhao)現(xian)在(zai)普(pu)遍(bian)使(shi)用(yong)的(de)分(fen)類(lei)方(fang)法(fa),可(ke)以(yi)將(jiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)分(fen)為(wei)兩(liang)類(lei),其(qi)中(zhong)諸(zhu)如(ru)生(sheng)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)、物理傳感器和化學傳感器等屬於一類,這幾種都是將輸入信號轉換為電信號 ;而力矩傳感器、速度傳感器、流量傳感器、氣敏傳感器和粘度傳感器等,這幾種是按照輸出量分類的。上述都是都是較為普及並應用廣泛的傳感器,在未來有廣闊的發展前景。
在過去,醫生收集病人信息的方式比較簡單,基本上都是“望聞問切”以(yi)及(ji)簡(jian)單(dan)的(de)檢(jian)查(zha)。我(wo)國(guo)在(zai)上(shang)世(shi)紀(ji)六(liu)十(shi)年(nian)代(dai)建(jian)立(li)了(le)醫(yi)學(xue)工(gong)程(cheng),多(duo)種(zhong)高(gao)科(ke)技(ji)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)被(bei)開(kai)發(fa)出(chu)來(lai),大(da)大(da)豐(feng)富(fu)了(le)醫(yi)生(sheng)收(shou)集(ji)病(bing)人(ren)信(xin)息(xi)的(de)方(fang)式(shi),也(ye)提(ti)高(gao)了(le)診(zhen)療(liao)和(he)治(zhi)療(liao)的(de)整(zheng)體(ti)水(shui)平(ping)。在(zai)醫(yi)學(xue)領(ling)域(yu),傳(chuan)感(gan)器(qi)起(qi)到(dao)的(de)是(shi)“耳目”的作用,傳感器種類繁多,用處不一,按照診療目的可以分為預防傳感器、檢查傳感器等,按照采樣方式不同則可以分為體外傳感器和體內傳感器,按照檢查目的的不同又可以分為形態學傳感器、生理功能傳感器和臨川化學傳感器等。目的不同,用途不同,分類方法也不盡相同。
2 生物傳感器的應用
在zai醫yi學xue中zhong有you多duo種zhong檢jian驗yan方fang法fa,一yi般ban的de方fang法fa是shi在zai實shi驗yan室shi檢jian驗yan,但dan是shi這zhe種zhong檢jian驗yan方fang法fa過guo程cheng繁fan瑣suo,花hua費fei時shi間jian較jiao長chang,逐zhu漸jian無wu法fa滿man足zu現xian代dai臨lin床chuang醫yi學xue的de需xu求qiu,生sheng物wu傳chuan感gan器qi的de出chu現xian大da大da改gai觀guan了le這zhe種zhong現xian象xiang。生sheng物wu傳chuan感gan器qi是shi化hua學xue傳chuan感gan器qi的de一yi種zhong,核he心xin部bu分fen是shi以yi諸zhu如ru細xi胞bao、微生物、組織等的生物活性單元為基礎的敏感基元,傳感器捕捉到基元和目標之間的反應並將其用電信號輸出,由於生物傳感器具有操作簡單、花費時間較少等優點,在醫學領域被廣泛關注。
2.1 原理和結構
傳感器中包含抗體、抗原、蛋白質、DNA 或者酶等生物活性材料,待測物質進入傳感器後,分子識別然後發生生物反應並產生信息,信息被化學換能器或者物理換能器轉化為聲、光、電dian等deng信xin號hao,儀yi器qi將jiang信xin號hao輸shu出chu,我wo們men就jiu能neng夠gou得de到dao待dai測ce物wu質zhi的de濃nong度du。傳chuan感gan器qi的de主zhu要yao組zu成cheng部bu分fen是shi感gan受shou器qi和he換huan能neng器qi,再zai將jiang信xin號hao通tong過guo自zi動dong化hua儀yi表biao技ji術shu和he微wei電dian子zi技ji術shu處chu理li,就jiu能neng構gou成cheng各ge種zhong儀yi器qi或huo者zhe係xi統tong。
2.2 分類和特點
按照換能器種類分類,可以分為聲波傳感器、半導體傳感器、熱傳感器、阻抗傳感器等 ;按照分子識別元件種類分類,可以分為免疫傳感器、細胞傳感器和組織傳感器等。
傳統醫學檢驗大多是酶分析法,這種方法步驟繁瑣,費用較高,而采用生物傳感器的方法,雖然試劑價格昂貴但是可以多次使用;生物傳感器有很強的轉移性,即隻對特定的底物發生反應,不論其濁度和顏色如何 ;再者分析速度較快,一般一分鍾就能得到結果 ;誤差能夠控製在 1% 以內,準確度可以保證 ;相對於酶分析法操作更加簡便,可以進行自動化分析 ;生物傳感器檢驗效率更高。上述都是生物傳感 器的優點。
2.3 醫學領域中的運用
生物傳感器有很多種,下麵針對其中幾種傳感器在醫學領域中的運用展開分析。
2.3.1 微生物傳感器
微(wei)生(sheng)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)感(gan)受(shou)器(qi)是(shi)含(han)有(you)微(wei)生(sheng)物(wu)的(de)膜(mo),工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)是(shi)微(wei)生(sheng)物(wu)會(hui)消(xiao)耗(hao)待(dai)測(ce)溶(rong)液(ye)中(zhong)的(de)溶(rong)解(jie)氧(yang),放(fang)出(chu)熱(re)量(liang)或(huo)者(zhe)光(guang),達(da)到(dao)定(ding)量(liang)檢(jian)測(ce)待(dai)測(ce)物(wu)質(zhi)的(de)目(mu)的(de)。相(xiang)對(dui)於(yu)酶(mei)傳(chuan)感(gan)器(qi),微(wei)生(sheng)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)使(shi)用(yong)穩(wen)定(ding)並(bing)且(qie)成(cheng)本(ben)更(geng)低(di),但(dan)是(shi)使(shi)用(yong)範(fan)圍(wei)不(bu)及(ji)酶(mei)傳(chuan)感(gan)器(qi),數(shu)據(ju)顯(xian)示(shi),微(wei)生(sheng)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)能(neng)夠(gou)檢(jian)測(ce)的(de)物(wu)質(zhi)約(yue)為(wei) 60 種到 70 種。微生物會受到待測物質的毒害影響,這是影響傳感器準確度和壽命的主要因素,解決了這個問題,微生物傳感器市場化指日可待。
2.3.2 酶傳感器
這種傳感器的敏感元件是固定化酶,使用酶傳感器就不需要花費大量精力去提取酶。臨床上測定尿素、葡萄糖、乳酸、天tian門men冬dong酰xian胺an等deng生sheng化hua指zhi標biao可ke以yi采cai用yong酶mei傳chuan感gan器qi,例li如ru現xian在zai的de葡pu萄tao糖tang酶mei傳chuan感gan器qi已yi經jing發fa展zhan到dao了le第di四si代dai,應ying用yong範fan圍wei廣guang泛fan,並bing且qie國guo際ji上shang乳ru酸suan酶mei傳chuan感gan器qi技ji術shu已yi經jing相xiang當dang成cheng熟shu。臨lin床chuang上shang要yao檢jian驗yan患huan者zhe腎shen功gong能neng就jiu要yao進jin行xing腎shen功gong能neng診zhen斷duan,然ran後hou針zhen對dui性xing的de實shi施shi人ren工gong透tou析xi,這zhe種zhong情qing況kuang下xia就jiu要yao使shi用yong尿niao素su傳chuan感gan器qi。酶mei傳chuan感gan器qi研yan究jiu時shi間jian和he發fa展zhan時shi間jian都dou較jiao長chang,市shi場chang上shang的de酶mei傳chuan感gan器qi已yi經jing達da到dao了le超chao過guo 200 種。
2.3.3 基因傳感器
基(ji)因(yin)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)近(jin)年(nian)來(lai)才(cai)出(chu)現(xian)的(de)一(yi)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi),但(dan)是(shi)技(ji)術(shu)先(xian)進(jin),國(guo)內(nei)外(wai)也(ye)有(you)很(hen)多(duo)專(zhuan)家(jia)學(xue)者(zhe)針(zhen)對(dui)基(ji)因(yin)傳(chuan)感(gan)器(qi)進(jin)行(xing)研(yan)究(jiu),現(xian)在(zai)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)研(yan)究(jiu)熱(re)點(dian)之(zhi)一(yi)。基(ji)因(yin)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)基(ji)礎(chu)是(shi)雜(za)交(jiao)高(gao)特(te)異(yi)性(xing),一(yi)般(ban)基(ji)因(yin)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)有(you) 30 個左右的核苷酸單鏈核酸分子,通過和靶序列雜交測定目標核酸分子。現在研究和使用較多的基因傳感器是 DNA傳感器,主要用於結核杆菌、艾滋病毒和乙肝炎病毒等的檢測,從而達到診斷疾病的目的。
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3 光纖傳感器的應用
傳chuan播bo光guang並bing不bu是shi光guang纖xian的de唯wei一yi用yong途tu,還hai可ke以yi用yong來lai交jiao換huan信xin息xi。光guang纖xian可ke以yi將jiang各ge種zhong參can數shu和he待dai測ce量liang結jie合he起qi來lai,得de到dao被bei測ce信xin號hao的de狀zhuang態tai,將jiang其qi轉zhuan換huan為wei光guang信xin號hao輸shu出chu。相xiang對dui於yu傳chuan統tong傳chuan感gan器qi,光guang纖xian傳chuan感gan器qi反fan應ying速su度du更geng快kuai、靈敏度高,在使用過程中不會產生電磁幹擾,光纖密度小、保密性佳並且便於保存,因此光纖傳感器在很多領域都有應用。
3.1 原理和分類
基本原理就是光經過光纖進入調製區,然後和被測參數發生作用,被測參數會使光的頻率、qiangduhexiangweidengfashengbianhua,bianhuahoudeguangjingguoguangxiantongguotiaozhiqishuchubeicewuliliang。anzhaochuanganyuanli,guangxianchuanganqikeyifenweilianglei,jichuanganxingchuanganqihechuanguangxingchuanganqi ;按照測量對象可以分為流量傳感器、位置傳感器、溫度傳感器、圖像傳感器等,醫學領域現今應用較多的是傳光型傳感器。
圖1:光纖傳感器的工作原理
3.2 傳光傳感器的應用
傳光傳感器有很多優點,例如絕緣、體積小、不受微波和射頻幹擾等,在法國、日本、美國等國家都有大量應用。
3.2.1 測量pH值
采用光傳感器測量 pH zhideyuanli,shiliyongtousheguanghefasheguangdeqiangdusuibochangfenbuguangkujinxingcedingde,zaixianweisumohezhongcharuliangtiaoguangxian,ranhoujiangzhentoucharuxueguanhuozhezuzhizhong,shijihuihetiyehunhe,xishoutedingbochangdeguang,ranhoushiyongfenxiyijiangceliangzhezhongbianhua,fenxihoujikededaozuzhihuozhexueyede pH 值。
圖2:測定 pH 值
3.2.2 測量溫度
現(xian)在(zai)國(guo)內(nei)外(wai)普(pu)遍(bian)采(cai)用(yong)微(wei)波(bo)加(jia)熱(re)療(liao)法(fa)治(zhi)療(liao)癌(ai)症(zheng),但(dan)是(shi)加(jia)熱(re)的(de)溫(wen)度(du)難(nan)以(yi)控(kong)製(zhi),如(ru)果(guo)溫(wen)度(du)太(tai)低(di),癌(ai)細(xi)胞(bao)可(ke)能(neng)殺(sha)不(bu)死(si),而(er)如(ru)果(guo)溫(wen)度(du)太(tai)高(gao),正(zheng)常(chang)細(xi)胞(bao)會(hui)被(bei)一(yi)起(qi)殺(sha)死(si),對(dui)人(ren)體(ti)有(you)不(bu)良(liang)影(ying)響(xiang),適(shi)宜(yi)的(de)溫(wen)度(du)為(wei)42.5℃到 45℃,因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)采(cai)取(qu)措(cuo)施(shi)監(jian)測(ce)加(jia)熱(re)溫(wen)度(du),我(wo)們(men)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)達(da)到(dao)這(zhe)個(ge)目(mu)的(de),已(yi)經(jing)開(kai)發(fa)出(chu)的(de)一(yi)種(zhong)就(jiu)是(shi)使(shi)用(yong)鉭(tan)酸(suan)鋰(li)晶(jing)體(ti)製(zhi)作(zuo)的(de),由(you)於(yu)晶(jing)體(ti)的(de)雙(shuang)折(zhe)射(she)特(te)性(xing)因(yin)而(er)對(dui)溫(wen)度(du)非(fei)常(chang)敏(min)感(gan),雖(sui)然(ran)目(mu)前(qian)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)溫(wen)度(du)的(de)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)仍(reng)然(ran)處(chu)於(yu)研(yan)究(jiu)階(jie)段(duan),但(dan)是(shi)需(xu)求(qiu)量(liang)較(jiao)大(da)。
3.2.3 傳輸圖像
原理是將多根光纖組成光纖束達到圖像傳輸的效果,將其應用於內窺鏡上能夠極大的增加內窺鏡應用範圍,這種內窺鏡具有自由度大、柔軟、直徑小的優點,因此在使用過程中病人基本不會感受到痛苦,光內窺鏡還可以用於息肉切除等正常的醫學領域。
4 溫度傳感器的應用
溫wen度du指zhi標biao在zai醫yi學xue中zhong非fei常chang重zhong要yao,醫yi生sheng可ke以yi依yi靠kao各ge個ge部bu位wei的de溫wen度du來lai診zhen斷duan疾ji病bing,例li如ru在zai診zhen斷duan休xiu克ke病bing人ren時shi就jiu需xu要yao獲huo取qu其qi體ti表biao溫wen度du,而er一yi個ge人ren體ti表biao溫wen度du升sheng高gao則ze可ke能neng是shi得de了le感gan染ran性xing疾ji病bing,又you如ru恰qia當dang的de調tiao節jie保bao溫wen箱xiang,能neng夠gou給gei新xin生sheng兒er營ying造zao舒shu適shi的de環huan境jing等deng。這zhe些xie例li子zi都dou說shuo明ming溫wen度du在zai醫yi學xue領ling域yu中zhong的de應ying用yong是shi很hen廣guang泛fan的de,因yin此ci溫wen度du傳chuan感gan器qi在zai醫yi學xue中zhong的de應ying用yong同tong樣yang重zhong要yao。
4.1 溫度傳感器的種類及應用
4.1.1 熱電偶式
回(hui)路(lu)由(you)兩(liang)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)金(jin)屬(shu)組(zu)成(cheng),如(ru)果(guo)觸(chu)電(dian)溫(wen)度(du)不(bu)同(tong),那(na)麼(me)就(jiu)會(hui)有(you)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)回(hui)路(lu),這(zhe)就(jiu)是(shi)熱(re)電(dian)偶(ou)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)原(yuan)理(li)。這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)優(you)點(dian)是(shi)可(ke)靠(kao)準(zhun)確(que)、範圍廣、測ce量liang穩wen定ding,在zai醫yi學xue領ling域yu有you廣guang泛fan應ying用yong。例li如ru在zai腫zhong瘤liu治zhi療liao中zhong,如ru果guo精jing確que的de控kong製zhi溫wen度du就jiu能neng強qiang化hua放fang療liao的de效xiao果guo,因yin此ci使shi用yong熱re電dian偶ou傳chuan感gan器qi將jiang腫zhong瘤liu周zhou圍wei溫wen度du控kong製zhi在zai 43℃,提高了治療腫瘤的療效。
4.1.2 熱電阻式
主zhu要yao是shi使shi用yong熱re敏min電dian阻zu,這zhe是shi一yi種zhong對dui溫wen度du很hen敏min感gan的de元yuan件jian,可ke以yi使shi用yong熱re敏min電dian阻zu來lai製zhi作zuo探tan頭tou,例li如ru半ban導dao體ti熱re電dian阻zu和he金jin屬shu熱re電dian阻zu等deng。熱re電dian阻zu傳chuan感gan器qi的de優you點dian是shi價jia格ge便bian宜yi、反應快,並且工藝較為成熟,我國工業使用熱敏電阻非常廣泛,由於熱敏電阻靈敏、體積小的特點,在醫學中同樣得到了大量應用。例如在玻璃或者塑料中封裝熱敏電阻,可以用來測量直腸、口腔等部位的溫度,而薄片熱敏電阻則用來測量體表溫度。熱電阻傳感器有廣闊的發展前景。
4.1.3 熱輻射式
實(shi)際(ji)上(shang)是(shi)一(yi)種(zhong)熱(re)電(dian)變(bian)換(huan)器(qi),使(shi)用(yong)黑(hei)色(se)表(biao)麵(mian)的(de)元(yuan)件(jian)將(jiang)輻(fu)射(she)量(liang)吸(xi)收(shou)進(jin)來(lai),轉(zhuan)化(hua)為(wei)熱(re)量(liang)後(hou)經(jing)過(guo)其(qi)他(ta)元(yuan)件(jian)轉(zhuan)換(huan),成(cheng)為(wei)參(can)數(shu)或(huo)者(zhe)電(dian)量(liang),常(chang)見(jian)的(de)就(jiu)是(shi)非(fei)接(jie)觸(chu)式(shi)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi),例(li)如(ru)在(zai)非(fei)典(dian)期(qi)間(jian)使(shi)用(yong)廣(guang)泛(fan)的(de)紅(hong)外(wai)線(xian)測(ce)溫(wen)儀(yi)。
4.2 PN 結溫度傳感器
溫度會對 PN 結的伏安特性產生影響,因此可以利用這個特性製作溫度傳感器,例如常見的有集成電路傳感器、二(er)極(ji)管(guan)和(he)三(san)極(ji)管(guan)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)等(deng)。其(qi)中(zhong)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)傳(chuan)感(gan)器(qi)應(ying)用(yong)較(jiao)多(duo),是(shi)在(zai)一(yi)片(pian)芯(xin)片(pian)上(shang)集(ji)成(cheng)外(wai)圍(wei)電(dian)路(lu)和(he)溫(wen)閩(min)三(san)極(ji)管(guan)。和(he)熱(re)敏(min)傳(chuan)感(gan)器(qi)相(xiang)比(bi),集(ji)成(cheng)模(mo)擬(ni)傳(chuan)感(gan)器(qi)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)更(geng)快(kuai)、靈敏度更高,並且體積較小,攜帶和使用都很方便。
4.3 數字溫度傳感器
將jiang溫wen度du轉zhuan換huan為wei振zhen蕩dang頻pin率lv的de變bian化hua是shi數shu字zi溫wen度du傳chuan感gan器qi的de原yuan理li,數shu字zi溫wen度du傳chuan感gan器qi可ke以yi分fen為wei智zhi能neng溫wen度du傳chuan感gan器qi和he邏luo輯ji輸shu出chu傳chuan感gan器qi。其qi中zhong智zhi能neng溫wen度du傳chuan感gan器qi也ye叫jiao智zhi能neng溫wen度du控kong製zhi器qi,發fa明ming於yu上shang世shi紀ji九jiu十shi年nian代dai,現xian在zai國guo際ji上shang已yi經jing有you多duo種zhong智zhi能neng溫wen度du傳chuan感gan器qi,這zhe是shi計ji算suan機ji技ji術shu和he微wei電dian子zi技ji術shu結jie合he的de產chan物wu。智zhi能neng溫wen度du傳chuan感gan器qi是shi一yi種zhong軟ruan硬ying件jian結jie合he的de產chan品pin,其qi智zhi能neng程cheng度du也ye受shou到dao軟ruan件jian水shui平ping的de影ying響xiang。智zhi能neng溫wen度du傳chuan感gan器qi體ti積ji小xiao、抗(kang)幹(gan)擾(rao)並(bing)且(qie)精(jing)度(du)較(jiao)好(hao),可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)智(zhi)能(neng)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)建(jian)設(she)病(bing)房(fang)多(duo)路(lu)溫(wen)度(du)測(ce)控(kong)係(xi)統(tong),批(pi)量(liang)測(ce)量(liang)體(ti)溫(wen),還(hai)具(ju)備(bei)報(bao)警(jing)功(gong)能(neng)。邏(luo)輯(ji)輸(shu)出(chu)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)就(jiu)是(shi)溫(wen)度(du)開(kai)關(guan),在(zai)很(hen)多(duo)時(shi)候(hou)我(wo)們(men)隻(zhi)關(guan)心(xin)溫(wen)度(du)是(shi)否(fou)超(chao)出(chu)了(le)範(fan)圍(wei),如(ru)果(guo)有(you)這(zhe)種(zhong)需(xu)求(qiu)則(ze)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)邏(luo)輯(ji)輸(shu)出(chu)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)。
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