智能传感器正在改善医疗保健

在过去的 75 年里，传感器在医学进步中发挥着越来越重要的作用。

用于监测人们生命体征（包括温度、血压、心率和呼吸频率）的医疗传感器变得越来越复杂。但传感器也可用于测量医疗设备的生命体征。

温度监测

玻璃球温度计已经使用了几十年来测量体温。在 1970 年代，它们被带有数字显示的电子版本所取代。这些是微创设备，需要插入患者身体的某个地方。

今天，最常见的设备是基于热电堆的非接触式温度传感器，其工作方式类似于微型红外摄像机。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。他们可以在几秒钟内完成读数，并且不接触，有助于避免细菌和病毒的传播。

它们采用小型 TO-5 或 TO-18 密封外壳封装，可轻松安装在 PC 板上。热电堆是在硅芯片上的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暴露于入射的红外辐射，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，以便它们的输出相加。信号的总和提供了一个可用的输出，其幅度为几十毫伏。

图 2 显示了典型热电堆的剖视图。安装芯片后，它“看”通过仅对红外波长透明的窗口。这有助于消除可见光的干扰。当来自加热（或冷却）物体的热能进入窗口时，它会撞击热电偶阵列并改变其顶部表面温度。一个单独的参考温度传感器连接到金属接头上以测量环境，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。

动脉血压监测

一种实用的血压袖带于 1905 年开发并沿用至今。现代血压计易于使用，但仅提供具有广泛精度范围的间接测量。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通常可以达到 70% 的准确度。在这两种情况下，它们只提供平均读数。

在最近开发的医疗程序中，人们发现在手术部位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 Con​​nectivity 的传感器业务部门最近推出了 Intrasense 微型血压传感器。它最显着的特点是尺寸极小——整体尺寸为 800 µm L x 270 µm W x 70 µm H。

Intrasense 是基于 MEMS 的绝对压力传感器，临床范围为 -300 mmHg 至 +500 mmHg。半桥设计利用 MEMS 芯片上的两个压阻元件，它们在施加压力时会改变其电阻值。信号被传送到位于 300mm 导线近端的放大和补偿 PC 板上。

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，例如心腔、颅间动脉甚至肾脏内部。

心率和呼吸率监测

TE Con​​nectivity 与斯坦福研究所 (SRI) 合作开发了一款演示智能椅，可以测量一个人静坐时的心率和呼吸频率。椅子的压电聚合物薄膜元件巧妙地放置在座椅和靠背中。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，这是一种材料在受到机械应力时会产生电荷的特性。薄膜非常薄（28μm），柔韧，当有人坐下时，很容易适应和检测座垫内的应力载荷。

在呼吸过程中，随着胸腔随着每次呼吸而扩张和收缩，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，传感器利用心冲击描记术，这是对由动脉搏动产生的皮肤正常压力波的检测。该演示的未来版本将在椅子的脚上添加称重传感器，以便对乘员进行称重。添加更多的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，还可以计算体重指数 (BMI)。这把椅子成为家庭保健应用的绝佳工具，因为不需要训练有素的医疗专业人员，并且可以随时进行迷你“检查”——只需安静地坐下来放松一下。

医疗设备自监测

治疗和外科医疗机器必须以非常高的精度运行。为确保仪器正常运行，设计人员现在正在添加传感器来跟踪关键机器功能。这些传感器可以以两种方式之一运行。它们可以作为反馈和控制回路的一部分，用于测量参数，然后对设备进行调整以使其在指定范围内运行。该传感器也可用作限位报警器。当某个参数超出规格或机器出现某种故障时，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。

现代医用呼吸机中内置的传感器就是这种技术的好例子。图 5 中的框图显示了典型机器的内部工作原理。请注意，除一个传感器外，所有传感器都在监测呼吸机的功能。 CO 2 传感器是唯一监测患者功能的传感器。

家庭保健

医学趋势是将患​​者从医院转移到家庭医疗保健环境中。患者在家更舒适。他们得到熟悉的护理人员的关注，并更快地从疾病中恢复过来。内置于家庭医疗保健设备中的传感器使机器可靠、操作简单，并且无需医疗专业人员持续关注。结果是提高了患者的安全性和更好的医疗结果。

未来

整个医疗行业都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。添加传感器有助于密切关注设备的功能和性能，从而使医疗专业人员能够将目光转向患者并创造更好的临床结果。无论是用于监测患者，还是监测用于治疗患者的医疗机器，传感器的日益普及都将为医学界带来显着的好处。

本文由 TE Con​​nectivity Sensor Solutions - TES（瑞士沙夫豪森/宾夕法尼亚州伯温）销售和营销支持高级经理 Pete Smith 撰写。欲了解更多信息，请联系 Mr. Smith，此电子邮件地址已受到防止垃圾邮件机器人的保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。或访问这里 .