在过去的75年里,传感器在医学发展中发挥着越来越重要的作用。

用于监测人们的生命体征的医疗传感器,包括温度,血压,心率和呼吸率越来越复杂。但传感器也可用于测量医疗设备的重要迹象。

温度监控

玻璃球温度计几十年来一直被用来测量体温。在20世纪70年代,它们被数字显示的电子版本所取代。这些是微创设备,需要插入病人身体的某个部位。

如今,最常见的设备是基于热电堆的非接触式温度传感器,其操作方式就像一个微型红外摄像机。它们测量皮肤的辐射热能,并提供与皮肤温度成比例的输出信号。它们可以在几秒钟内读取读数,而非接触,可以帮助避免细菌和病毒的传播。

包装在一个小的TO-5或TO-18密封外壳中,它们可以很容易地安装在PC板上。热电堆是在硅芯片上由数十或数百个热电偶元件组成的微型阵列。该芯片的设计使其上部的接点暴露在入射的红外辐射中,而背面则连接到金属头部并保持环境温度。热电偶是串联的,因此它们的输出是相加的。这些信号的总和提供了一个振幅在几十毫伏的可用输出。

图2。热电堆剖面图。(图片由工商业污水附加费提供)

一个典型的热电堆的剖面图如图2所示。该芯片被安装在一个只有红外波长透明的窗口中,所以它可以“看着”。这有助于消除可见光的干扰。当热能从受热(或冷却)的物体进入窗口,它撞击热电偶阵列,改变其顶部表面温度从环境。金属封头上安装了一个独立的基准温度传感器来测量环境温度,因此可以利用热电堆与基准之间的差值信号来计算被测物体的实际温度。通过一些下游信号处理和补偿,精度在±1% -±2%范围很容易达到。

动脉血压监测

1905年发明了一种实用的血压袖带,一直沿用至今。现代血压计使用方便,但只能间接测量,精度范围广。训练有素的操作员手持手动BP袖带可以达到将近98%的准确率。电子和数字血压装置通常能达到70%的准确性。在这两种情况下,它们只提供一个平均读数。

在最近开发的医疗程序中,人们发现在手术现场直接读取血压可以为外科医生提供更好的数据,并为患者提供更好的结果。TE Connectivity的传感器业务部门最近推出了Intrasense微型血压传感器。其最显著的特征是尺寸极小,整体尺寸为800µm L × 270µm W × 70µm H。

图3。TES Intrasense微压力传感器。(图片由工商业污水附加费提供)

Intrasense是一种基于mems的绝对压力传感器,临床测量范围为- 300mmhg到+ 500mmhg。半桥设计利用了MEMS模具上的两个压阻元件,当施加压力时改变它们的电阻值。该信号被传送到位于300mm导线近端的放大和补偿PC板。

该传感器可以放置在一根非常细的导管或导丝的尖端,然后在身体内部的偏远位置使用,如心室、颅内动脉,甚至在关键的外科手术过程中在肾脏内使用。

心率和呼吸率监测

TE Connectivity与斯坦福研究所(SRI)合作,开发了一款演示智能椅子,可以测量一动不动坐在里面的人的心率和呼吸频率。这把椅子有压电聚合物薄膜元素巧妙地放置在座椅和靠背上。这些传感元件可以检测心跳和呼吸。

压电聚合物薄膜是一种由聚偏氟乙烯(PVDF)制成的独特材料。通过特殊的制造技术,这种薄膜可以被制成压电材料,这种材料在受到机械应力时会产生电荷。该薄膜非常薄(28μm),易弯曲,当有人坐下时,它很容易符合和检测坐垫内部的应力负荷。

在呼吸过程中,身体的重心随着胸腔的扩张和每次呼吸的收缩而轻微移动。椅子上的压电元件检测这些动态变化,并向电子设备提供可用的信号。对于心跳,传感器利用了弹道式心脏描记术,这是检测由动脉搏动产生的与皮肤正常的压力波。这个演示的未来版本将在椅子的脚上添加称重传感器,这样乘员就可以称重了。增加几个压电传感器也将有助于检测乘员的物理尺寸。除了体重数据,还可以计算出体重指数(BMI)。这把椅子成为家庭医疗保健应用程序的优秀工具,因为不需要训练有素的医疗专业人员,而且迷你“检查”可以在任何时候进行-只是安静地坐下来,放松。

图4. TES智能医疗椅。(图片由工商业污水附加费提供)

医疗设备自我监控

治疗和外科医疗机必须以非常高的准确度执行。为确保仪器正常运行,设计人员现在添加了跟踪关键机器功能的传感器。这些传感器可以以两种方式之一操作。它们可以是反馈和控制回路的一部分,测量参数,然后对设备进行调整,以将其保持在指定的范围内。传感器也可以用作极限警报。当参数超出规格或机器故障某种方式时,传感器警告操作员对故障状况,甚至可以关闭机器以保护患者安全性。

图5.典型医用呼吸机的框图。(图片由工商业污水附加费提供)

内置于现代医用呼吸机中的传感器是这种技术的良好示例。图5中的框图显示了典型机的内部工作。请注意,所有传感器的所有传感器都在监视呼吸机的功能。co.2传感器是监视患者功能的唯一一个。

家庭医疗保健

医学界有一种趋势,将病人从医院转移到家庭医疗机构。病人在家更舒服。他们从熟悉的护理人员那里得到关注,并能更快地从疾病中恢复。内置在家庭保健设备中的传感器使机器可靠、操作简单,并消除了对医疗专业人员持续关注的需要。其结果是提高了患者的安全性和更好的医疗结果。

未来

整个医疗行业正在努力将更多传感器整合到医生及其团队使用的机器和程序中。传感器的添加有助于密切关注设备的功能和性能,这使医疗专业人员能够将目光转向患者,创造更好的临床结果。无论是用于监测病人,还是监测用于治疗病人的医疗机器,传感器的日益广泛使用将为医学界带来巨大的利益。

本文由Pete Smith, TE Connectivity Sensor Solutions - TES (Schaffhausen, Switzerland/Berwyn, PA)销售和市场支持高级经理撰写。如需更多信息,请致电史密斯先生此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。,或者访问在这里


传感器技术杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年6月号传感器技术杂志。

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