智能传感器重塑现代医疗护理
过去75年间,传感器在医学进步中扮演着日益重要的角色。
用于监测人体生命体征的医疗传感器——包括体温、血压、心率和呼吸率——日益精密。同时,传感器也广泛应用于医疗设备自身的“生命体征”监测。
体温监测
玻璃球温度计用于测量体温已有数十年。20世纪70年代,带数字显示的电子体温计取代了它们。这些微创设备需插入患者体内。
如今最常见的是基于热电堆的非接触温度传感器,其工作原理类似微型红外相机。它们测量皮肤辐射的热能,输出与皮肤温度成比例的信号。仅需几秒即可完成读数,非接触特性可避免细菌病毒传播。
封装于小型TO-5或TO-18气密外壳中,易于安装在PCB板上。热电堆是硅芯片上数十至数百个热电偶元件的微型阵列。芯片设计使顶面结点暴露于入射红外辐射,底面连接金属座保持环境温度。热电偶串联连接,输出信号叠加,总和提供幅度在几十毫伏的可用输出。
图2展示典型热电堆剖视图。芯片安装使其透过仅对红外波长透明的窗口“观测”,消除可见光干扰。来自被测物体的热能透过窗口入射到热电偶阵列,改变其顶面温度。独立参考温度传感器连接金属座测量环境温度,热电堆与参考传感器的差分信号可计算被测物体实际温度。经下游信号处理与补偿,可轻松达到±1%–±2%精度。
动脉血压监测
实用血压计于1905年问世并沿用至今。现代血压计易用但仅提供间接测量,精度范围宽泛。训练有素的操作员使用手动血压计可达98%准确度,电子数字血压计通常仅70%,且两者仅提供平均读数。
最新医疗程序发现,手术部位的直接血压读数能为外科医生提供更优数据,改善患者预后。TE Connectivity传感器事业部推出Intrasense微型血压传感器,最显著特征是极小尺寸——总尺寸800µm长×270µm宽×70µm高。
Intrasense是基于MEMS的绝对压力传感器,临床量程-300至+500 mmHg。半桥设计利用MEMS芯片上两个压阻元件,随压力变化改变阻值。信号通过300mm导线近端的放大补偿PCB板传输。
传感器可置于极细导管或导丝尖端,用于心腔、颅内动脉甚至肾脏内部等身体远端位置,在关键手术中发挥作用。
心率与呼吸率监测
TE Connectivity与斯坦福研究院(SRI)合作开发演示型智能椅,仅当人静坐其中即可测量心率和呼吸率。椅子座椅和靠背策略性放置压电聚合物薄膜元件,检测心跳和呼吸。
压电聚合物薄膜由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成,经特殊工艺具有压电性——材料受机械应力产生电荷。薄膜极薄(28µm)、柔韧,易贴合座椅垫内部应力负载并检测。
呼吸时,胸廓扩张收缩导致人体重心微动,椅内压电元件检测这些动态变化并输出可用信号。心跳检测利用球isto心动图原理,即检测动脉搏动产生的垂直于皮肤的压力波。未来版本将在椅脚增加测力传感器称重,增加更多压电传感器检测人体尺寸,结合体重数据计算体重指数(BMI)。这使椅子成为居家医疗绝佳工具——无需专业医护人员,随时安静坐下即可完成微型“体检”。
医疗设备自我监测
治疗和手术医疗设备必须极高精度运行。为确保仪器正常工作,设计师现添加传感器追踪关键机器功能。传感器以两种方式工作:一是纳入反馈控制回路,测量参数并调整设备使其保持在规定范围内;二是作为极限报警,参数超标或设备故障时提醒操作员,甚至关机保护患者安全。
现代医用呼吸机内置传感器是典型案例。图5框图展示典型呼吸机内部工作原理。除CO₂传感器监测患者功能外,其余传感器均监测呼吸机自身功能。
居家医疗
医学趋势将患者从医院转向居家医疗环境。患者在家更舒适,获得熟悉照护者关怀,恢复更快。居家医疗设备内置传感器使机器可靠、易操作,无需医护人员持续关注,提升患者安全与医疗效果。
未来展望
医疗行业正致力于在医生团队使用的机器和程序中融入更多传感器。传感器增加有助于监控设备功能与性能,让医护人员更专注患者,创造更优临床结果。无论用于监测患者还是治疗患者的医疗设备,传感器的广泛应用将为医学世界带来显著效益。
本文由TE Connectivity传感器解决方案高级销售与市场支持经理Pete Smith撰写。更多信息请联系:This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.,或访问here。
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