在过去的75年里,传感器在医学进步方面发挥了越来越重要的部分。

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。

温度监测

玻璃灯泡温度计已经使用了数十年来服用体温。在20世纪70年代,它们被带数字显示器的电子版本所取代。这些是微创装置,并且需要在某处插入患者的身体。

如今,最常见的设备是热电堆的非接触式温度传感器,它像微小的红外相机一样操作。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。他们可以在短短几秒钟内进行阅读,并且是非接触,可以帮助避免细菌和病毒的传播。

包装在一个小于5到5或18到18个气密密封的外壳,它们可以轻松安装在PC板上。热电堆是硅芯片上数十个或数百个热电偶元件的微型阵列。芯片设计成使得其上侧的接合部暴露于进入的IR辐射,同时背面连接到金属倒置并保持在环境温度下。热电偶串联连接,以便其输出添加。信号的总和提供了一个可用的输出,在数十毫伏中具有幅度。

图2.热电卸热。(图片礼貌TES)

典型热电堆的剖视图如图2所示。芯片安装在芯片上,使其“看起来”透明,该窗口仅为红外波长。这有助于消除可见光的干扰。由于来自加热(或冷却的)物体的热能进入窗口,它将其撞到热电偶阵列并从环境温度改变其顶表面温度。单独的参考温度传感器连接到金属倒档以测量环境,因此可以使用热电堆和参考之间的差分信号来计算正在测量的物体的实际温度。通过一些下游信号处理和补偿,±1% - ±2%的精度易于达到。

动脉血压监测

在1905年开发了实用的血压袖口,习惯了这一天。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BP袖口可以达到近98%的准确度。电子和数字血压装置通常达到70%的精度。在这两种情况下,他们只提供平均读数。

在最近开发的医疗程序中,已经发现,手术部位的直接BP读数为外科医生提供了更好的数据和患者的更好的结果。TE Con​​nectivity的传感器业务部门最近推出了其肠道微血压传感器。其最引人注目的功能是极小的尺寸 - 整体尺寸为800μm,l x270μmwx70μmh。

图3. TES IntraseSense Micro压力传感器。(图片礼貌TES)

intrase语是一种基于MEMS的绝对压力传感器,临床范围为-300mmHg至+ 500mmHg。半桥设计利用MEMS模具上的两个压阻元件,以随着压力改变其电阻值。信号被传递到300mm线引线的近端的放大和补偿PC板。

传感器可以放置在非常精细的导管或导丝的尖端,然后在临界手术过程中使用在身体内的远程位置,例如心脏室,颅内动脉,或甚至在肾内部。

心率和呼吸率监测

与斯坦福研究所(SRI)合作,TE Con​​nectivity开发了一个演示智能椅,可以衡量简单地坐在其中的人的心率和呼吸率。椅子有压电聚合物薄膜元件,策略性放置在座椅和背部。这些传感元件检测心跳和呼吸。

压电聚合物薄膜是由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的独特材料。具有特殊的制造技术,可以使该薄膜制成压电,当它们受到机械应力时材料产生电荷的特性。薄膜非常薄(28μm),柔韧,并且很容易符合,并检测,因为有人坐下,座垫内的应力负荷。

在呼吸期间,由于肋骨随着每次呼吸膨胀和收缩,身体的重心略微移动。椅子中的压电元件检测这些动态变化,并为电子设备提供可用信号。对于心跳,传感器利用脉珠上造影,这是通过动脉脉冲产生的皮肤正常的压力波的检测。该演示的未来版本将为椅子的脚添加装载单元,因此可以称重乘员。添加几个更多的压电传感器也有助于检测乘员的物理尺寸。随着权重数据,可以计算体重指数(BMI)。这椅子成为家庭医疗保健应用的绝佳工具,因为不需要训练有素的医疗专业人士,并且可以随时进行迷你“检查” - 只是静静地坐下来放松身心。

图4. TES智能医疗椅。(图片礼貌TES)

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。(图片礼貌TES)

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

医学趋势将患者移出医院并进入家庭医疗保健环境。患者在家里更舒适。他们从熟悉的照顾者那里得到了关注,并从疾病中恢复更快。内置于家庭医疗设备中的传感器使得机器可靠,操作简单,并消除了医疗专业人员的不断关注的需求。结果是提高了患者安全性和更好的医学结果。

未来

在整个医疗行业正在进行工作,将更多的传感器融入医生和他们的团队所使用的机器和程序中。进出传感器有助于密切关注设备的功能和性能,这使得医疗专业人员将眼睛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,传感器的越来越多的使用将为医学世界带来显着的益处。

本文是由Pete Smith,SR.经理,销售和营销支持,TE Con​​nectivity Sensel Solutions - TES(Schaffhausen,瑞士/ Berwyn,PA)编写。有关更多信息,请联系史密斯先生此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或者访问这里


传感器技术杂志

本文首先出现在6月份,2021年问题传感器技术杂志。

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