智能传感器正在改善医疗保健

2023-07-28 11:22:01| 来源：千家网| 次| 0次

　　在过去75年里，传感器在医学进步中发挥着越来越重要的作用。

　　用于监测人体生命体征的医疗传感器，包括体温、血压、心率和呼吸频率，已经变得越来越复杂。但传感器在测量医疗设备的生命体征方面也很有用。

　　温度监控

　　几十年来，人们一直使用玻璃球温度计来测量体温。在20世纪70年代，其被带有数字显示的电子版本所取代。这些都是微创设备，需要插入患者体内的某处。

　　如今，最常见的设备是基于热电堆的非接触式温度传感器，其工作原理类似于微型红外摄像机。其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。只需几秒钟即可读取读数，并且是非接触式，有助于避免细菌和病毒的传播。

　　其封装在小型TO-5或TO-18密封外壳中，可以轻松安装在PC板上。热电堆是硅芯片上数十或数百个热电偶元件的微型阵列。该芯片的设计使其顶部的结点暴露在传入的红外辐射下，而背面则连接到金属接头并保持在环境温度下。热电偶串联连接，以便其输出相加。信号之和提供了幅度为数十毫伏的可用输出。

　　典型热电堆的剖视图如图2所示。芯片安装后可以通过仅对红外波长透明的窗口“看到”。这有助于消除可见光的干扰。当供暖(或冷却)物体的热能进入窗口时，其会撞击热电偶阵列并改变其顶部表面温度。金属接头上附有一个单独的参考温度传感器来测量环境温度，因此热电堆和参考之间的差分信号可用于计算被测物体的实际温度。通过一些下游信号处理和补偿，可以轻松实现±1%–±2%范围内的精度。

　　动脉血压监控

　　1905年发明了一种实用的血压袖带，一直沿用至今。现代血压计易于使用，但仅提供间接测量，准确度范围较宽。训练有素的操作员手中的手动血压袖带可以达到近98%的准确度。电子和数字血压设备的准确度通常为70%。在这两种情况下，它们仅提供平均读数。

　　在最近发展的医疗程序中，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。其最显著的特点是极小的尺寸——整体尺寸为长800µmx宽270µmx高70µm。

　　Intrasense是一款基于MEMS的绝对压力传感器，临床范围为-300 mmHg至+500 mmHg。半桥式设计利用MEMS芯片上的两个压阻元件，随着施加压力而改变其电阻值。信号被传送到300mm引线近端的放大和补偿PC板。

　　这种传感器可以放置在非常细的导管或导丝的尖端，然后在关键的外科手术过程中用于身体内部的偏远位置，例如心脏腔室、颅间动脉，甚至肾脏内部。

　　心率和呼吸率监控

　　TE Connectivity与斯坦福研究院(SRI)合作开发了一款示范智能椅，可以测量静坐者的心率和呼吸率。该椅子在座椅和靠背上巧妙地放置了压电聚合物薄膜元件。这些传感元件可检测心跳和呼吸。

　　压电聚合物薄膜是一种由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的独特材料。通过特殊的制造技术，这种薄膜可以制成压电薄膜，这种特性使材料在受到机械应力时产生电荷。该薄膜非常薄(28μm)、柔韧，当有人坐下时，很容易符合并检测坐垫内部的应力负荷。

　　在呼吸过程中，随着胸腔随着每次呼吸的扩张和收缩，身体的重心会轻微移动。椅子中的压电元件检测这些动态变化，并向电子设备提供可用信号。对于心跳，传感器使用的是弹道心动图，这是一种由动脉脉冲产生的压力波，对皮肤正常的检测。这个演示的未来版本将在椅脚上添加称重传感器，以便对使用者进行称重。添加更多压电传感器也将有助于检测使用者的身体尺寸。除了体重数据之外，还可以计算出身体质量指数(BMI)。这款椅子成为家庭医疗保健应用的绝佳工具，因为不需要经过培训的医疗专业人员，可以随时进行小型“检查”——只需安静地坐下来放松即可。

　　医疗设备自我监控

　　治疗和外科医疗机器必须具有非常高的精确度。为了确保仪器正常运行，设计人员现在正在添加传感器来跟踪关键的机器功能。这些传感器有两种工作方式。它们可以成为反馈和控制回路的一部分，测量参数，然后对设备进行调整，使其保持在指定范围内运行。该传感器还可用作极限警报。当参数超出规格或机器以某种方式出现故障时，传感器会向操作员发出故障情况警报，甚至可以关闭机器以保护患者安全。