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智能传感器正在改善医疗保健

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。图 2. 热电堆剖视图。（图片来源： TES ）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。图3.Intrasense微型压力传感器。（图片来源：TES）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。图4.智能医疗椅。（图片来源：TES）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。图5.典型医用呼吸机的框图。（图片来源：TES）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，除了一个传感器外，所有传感器都在监控呼吸机的功能。CO 2传感器是唯一监测患者功能的传感器。家庭医疗保健医学界有一种趋势，即将患者从医院转移到家庭医疗保健环境中。患者在家中更加舒适。他们得到熟悉的护理人员的关注，可以更快地从疾病中恢复。家庭医疗保健设备中内置的传感器使机器可靠、操作简单，且无需医疗专业人员持续关注。其结果是提高了患者的安全性，并改善了医疗结果。未来整个医疗行业正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。传感器的添加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。无论是用于监控患者，还是监控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巨大的好处。