智能傳感器正在改善醫(yī)療保健

智能傳感器正在改善醫(yī)療保健

在過去75年里，傳感器在醫(yī)學(xué)進(jìn)步中發(fā)揮著越來越重要的作用。

用于監(jiān)測(cè)人體生命體征的醫(yī)療傳感器，包括體溫、血壓、心率和呼吸頻率，已經(jīng)變得越來越復(fù)雜。但傳感器在測(cè)量醫(yī)療設(shè)備的生命體征方面也很有用。

溫度監(jiān)控

幾十年來，人們一直使用玻璃球溫度計(jì)來測(cè)量體溫。在20世紀(jì)70年代，其被帶有數(shù)字顯示的電子版本所取代。這些都是微創(chuàng)設(shè)備，需要插入患者體內(nèi)的某處。

如今，最常見的設(shè)備是基于熱電堆的非接觸式溫度傳感器，其工作原理類似于微型紅外攝像機(jī)。其測(cè)量皮膚的輻射熱能，并提供與皮膚溫度成比例的輸出信號(hào)。只需幾秒鐘即可讀取讀數(shù)，并且是非接觸式，有助于避免細(xì)菌和病毒的傳播。

其封裝在小型TO-5或TO-18密封外殼中，可以輕松安裝在PC板上。熱電堆是硅芯片上數(shù)十或數(shù)百個(gè)熱電偶元件的微型陣列。該芯片的設(shè)計(jì)使其頂部的結(jié)點(diǎn)暴露在傳入的紅外輻射下，而背面則連接到金屬接頭并保持在環(huán)境溫度下。熱電偶串聯(lián)連接，以便其輸出相加。信號(hào)之和提供了幅度為數(shù)十毫伏的可用輸出。

典型熱電堆的剖視圖如圖2所示。芯片安裝后可以通過僅對(duì)紅外波長(zhǎng)透明的窗口“看到”。這有助于消除可見光的干擾。當(dāng)供暖（或冷卻）物體的熱能進(jìn)入窗口時(shí)，其會(huì)撞擊熱電偶陣列并改變其頂部表面溫度。金屬接頭上附有一個(gè)單獨(dú)的參考溫度傳感器來測(cè)量環(huán)境溫度，因此熱電堆和參考之間的差分信號(hào)可用于計(jì)算被測(cè)物體的實(shí)際溫度。通過一些下游信號(hào)處理和補(bǔ)償，可以輕松實(shí)現(xiàn)±1%–±2%范圍內(nèi)的精度。

動(dòng)脈血壓監(jiān)控

1905年發(fā)明了一種實(shí)用的血壓袖帶，一直沿用至今。現(xiàn)代血壓計(jì)易于使用，但僅提供間接測(cè)量，準(zhǔn)確度范圍較寬。訓(xùn)練有素的操作員手中的手動(dòng)血壓袖帶可以達(dá)到近98%的準(zhǔn)確度。電子和數(shù)字血壓設(shè)備的準(zhǔn)確度通常為70%。在這兩種情況下，它們僅提供平均讀數(shù)。

在最近發(fā)展的醫(yī)療程序中，人們發(fā)現(xiàn)在手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)直接讀取血壓可以為外科醫(yī)生提供更好的數(shù)據(jù)，并為患者提供更好的結(jié)果。TE Connectivity的傳感器業(yè)務(wù)部門最近推出了Intrasense微型血壓傳感器。其最顯著的特點(diǎn)是極小的尺寸——整體尺寸為長(zhǎng)800μmx寬270μmx高70μm。

圖3.Intrasense微型壓力傳感器。（圖片來源：TES）

Intrasense是一款基于MEMS的絕對(duì)壓力傳感器，臨床范圍為-300 mmHg至+500 mmHg。半橋式設(shè)計(jì)利用MEMS芯片上的兩個(gè)壓阻元件，隨著施加壓力而改變其電阻值。信號(hào)被傳送到300mm引線近端的放大和補(bǔ)償PC板。

這種傳感器可以放置在非常細(xì)的導(dǎo)管或?qū)Ыz的尖端，然后在關(guān)鍵的外科手術(shù)過程中用于身體內(nèi)部的偏遠(yuǎn)位置，例如心臟腔室、顱間動(dòng)脈，甚至腎臟內(nèi)部。

心率和呼吸率監(jiān)控

TE Connectivity與斯坦福研究院(SRI)合作開發(fā)了一款示范智能椅，可以測(cè)量靜坐者的心率和呼吸率。該椅子在座椅和靠背上巧妙地放置了壓電聚合物薄膜元件。這些傳感元件可檢測(cè)心跳和呼吸。

壓電聚合物薄膜是一種由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的獨(dú)特材料。通過特殊的制造技術(shù)，這種薄膜可以制成壓電薄膜，這種特性使材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生電荷。該薄膜非常薄(28μm)、柔韌，當(dāng)有人坐下時(shí)，很容易符合并檢測(cè)坐墊內(nèi)部的應(yīng)力負(fù)荷。

在呼吸過程中，隨著胸腔隨著每次呼吸的擴(kuò)張和收縮，身體的重心會(huì)輕微移動(dòng)。椅子中的壓電元件檢測(cè)這些動(dòng)態(tài)變化，并向電子設(shè)備提供可用信號(hào)。對(duì)于心跳，傳感器使用的是彈道心動(dòng)圖，這是一種由動(dòng)脈脈沖產(chǎn)生的壓力波，對(duì)皮膚正常的檢測(cè)。這個(gè)演示的未來版本將在椅腳上添加稱重傳感器，以便對(duì)使用者進(jìn)行稱重。添加更多壓電傳感器也將有助于檢測(cè)使用者的身體尺寸。除了體重?cái)?shù)據(jù)之外，還可以計(jì)算出身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)。這款椅子成為家庭醫(yī)療保健應(yīng)用的絕佳工具，因?yàn)椴恍枰?jīng)過培訓(xùn)的醫(yī)療專業(yè)人員，可以隨時(shí)進(jìn)行小型“檢查”——只需安靜地坐下來放松即可。

圖4.智能醫(yī)療椅。（圖片來源：TES）

醫(yī)療設(shè)備自我監(jiān)控

治療和外科醫(yī)療機(jī)器必須具有非常高的精確度。為了確保儀器正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在正在添加傳感器來跟蹤關(guān)鍵的機(jī)器功能。這些傳感器有兩種工作方式。它們可以成為反饋和控制回路的一部分，測(cè)量參數(shù)，然后對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，使其保持在指定范圍內(nèi)運(yùn)行。該傳感器還可用作極限警報(bào)。當(dāng)參數(shù)超出規(guī)格或機(jī)器以某種方式出現(xiàn)故障時(shí)，傳感器會(huì)向操作員發(fā)出故障情況警報(bào)，甚至可以關(guān)閉機(jī)器以保護(hù)患者安全。

圖5.典型醫(yī)用呼吸機(jī)的框圖。（圖片來源：TES）

現(xiàn)代醫(yī)用呼吸機(jī)中內(nèi)置的傳感器就是這種技術(shù)的好例子。圖5中的框圖顯示了典型機(jī)器的內(nèi)部工作原理。請(qǐng)注意，除了一個(gè)傳感器外，所有傳感器都在監(jiān)控呼吸機(jī)的功能。CO 2傳感器是唯一監(jiān)測(cè)患者功能的傳感器。

家庭醫(yī)療保健

醫(yī)學(xué)界有一種趨勢(shì)，即將患者從醫(yī)院轉(zhuǎn)移到家庭醫(yī)療保健環(huán)境中?；颊咴诩抑懈邮孢m。他們得到熟悉的護(hù)理人員的關(guān)注，可以更快地從疾病中恢復(fù)。家庭醫(yī)療保健設(shè)備中內(nèi)置的傳感器使機(jī)器可靠、操作簡(jiǎn)單，且無需醫(yī)療專業(yè)人員持續(xù)關(guān)注。其結(jié)果是提高了患者的安全性，并改善了醫(yī)療結(jié)果。

未來

整個(gè)醫(yī)療行業(yè)正在努力將更多傳感器整合到醫(yī)生及其團(tuán)隊(duì)使用的機(jī)器和程序中。傳感器的添加有助于密切關(guān)注設(shè)備的功能和性能，從而使醫(yī)療專業(yè)人員能夠?qū)⒛抗廪D(zhuǎn)向患者，并創(chuàng)造更好的臨床結(jié)果。無論是用于監(jiān)控患者，還是監(jiān)控用于治療患者的醫(yī)療機(jī)器，傳感器的日益普及都將為醫(yī)學(xué)界帶來巨大的好處。

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