導讀 智能傳感器正在改善醫療保健 在過去75年裏，傳感器在醫學進步中發揮着越來越重要的作用。用於監測人體生命體徵的醫療傳感器，包括體溫、血壓、心率和呼吸頻率，已經變得越來越復雜。但傳感器在測量醫療設備的生...
智能傳感器正在改善醫療保健
在過去75年裏，傳感器在醫學進步中發揮着越來越重要的作用。
用於監測人體生命體徵的醫療傳感器，包括體溫、血壓、心率和呼吸頻率，已經變得越來越復雜。但傳感器在測量醫療設備的生命體徵方面也很有用。
溫度監控
幾十年來，人們一直使用玻璃球溫度計來測量體溫。在20世紀70年代，其被帶有數字顯示的電子版本所取代。這些都是微創設備，需要插入患者體內的某處。
如今，最常見的設備是基於熱電堆的非接觸式溫度傳感器，其工作原理類似於微型紅外攝像機。其測量皮膚的輻射熱能，並提供與皮膚溫度成比例的輸出信號。只需幾秒鐘即可讀取讀數，並且是非接觸式，有助於避免細菌和病毒的傳播。
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十或數百個熱電偶元件的微型陣列。該芯片的設計使其頂部的結點暴露在傳入的紅外輻射下，而背面則連接到金屬接頭並保持在環境溫度下。熱電偶串聯連接，以便其輸出相加。信號之和提供了幅度爲數十毫伏的可用輸出。
圖 2. 熱電堆剖視圖。（圖片來源： TES ）
典型熱電堆的剖視圖如圖2所示。芯片安裝後可以通過僅對紅外波長透明的窗口“看到”。這有助於消除可見光的幹擾。當供暖（或冷卻）物體的熱能進入窗口時，其會撞擊熱電偶陣列並改變其頂部表面溫度。金屬接頭上附有一個單獨的參考溫度傳感器來測量環境溫度，因此熱電堆和參考之間的差分信號可用於計算被測物體的實際溫度。通過一些下遊信號處理和補償，可以輕松實現±1%–±2%範圍內的精度。
動脈血壓監控
1905年發明了一種實用的血壓袖帶，一直沿用至今。現代血壓計易於使用，但僅提供間接測量，准確度範圍較寬。訓練有素的操作員手中的手動血壓袖帶可以達到近98%的准確度。電子和數字血壓設備的准確度通常爲70%。在這兩種情況下，它們僅提供平均讀數。
在最近發展的醫療程序中，人們發現在手術現場直接讀取血壓可以爲外科醫生提供更好的數據，並爲患者提供更好的結果。TE Connectivity的傳感器業務部門最近推出了Intrasense微型血壓傳感器。其最顯著的特點是極小的尺寸——整體尺寸爲長800µmx寬270µmx高70µm。
圖3.Intrasense微型壓力傳感器。（圖片來源：TES）
Intrasense是一款基於MEMS的絕對壓力傳感器，臨牀範圍爲-300 mmHg至+500 mmHg。半橋式設計利用MEMS芯片上的兩個壓阻元件，隨着施加壓力而改變其電阻值。信號被傳送到300mm引线近端的放大和補償PC板。
這種傳感器可以放置在非常細的導管或導絲的尖端，然後在關鍵的外科手術過程中用於身體內部的偏遠位置，例如心髒腔室、顱間動脈，甚至腎髒內部。
心率和呼吸率監控
TE Connectivity與斯坦福研究院(SRI)合作开發了一款示範智能椅，可以測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)制成的獨特材料。通過特殊的制造技術，這種薄膜可以制成壓電薄膜，這種特性使材料在受到機械應力時產生電荷。該薄膜非常薄(28μm)、柔韌，當有人坐下時，很容易符合並檢測坐墊內部的應力負荷。
在呼吸過程中，隨着胸腔隨着每次呼吸的擴張和收縮，身體的重心會輕微移動。椅子中的壓電元件檢測這些動態變化，並向電子設備提供可用信號。對於心跳，傳感器使用的是彈道心動圖，這是一種由動脈脈衝產生的壓力波，對皮膚正常的檢測。這個演示的未來版本將在椅腳上添加稱重傳感器，以便對使用者進行稱重。添加更多壓電傳感器也將有助於檢測使用者的身體尺寸。除了體重數據之外，還可以計算出身體質量指數(BMI)。這款椅子成爲家庭醫療保健應用的絕佳工具，因爲不需要經過培訓的醫療專業人員，可以隨時進行小型“檢查”——只需安靜地坐下來放松即可。
圖4.智能醫療椅。（圖片來源：TES）
醫療設備自我監控
治療和外科醫療機器必須具有非常高的精確度。爲了確保儀器正常運行，設計人員現在正在添加傳感器來跟蹤關鍵的機器功能。這些傳感器有兩種工作方式。它們可以成爲反饋和控制回路的一部分，測量參數，然後對設備進行調整，使其保持在指定範圍內運行。該傳感器還可用作極限警報。當參數超出規格或機器以某種方式出現故障時，傳感器會向操作員發出故障情況警報，甚至可以關閉機器以保護患者安全。
圖5.典型醫用呼吸機的框圖。（圖片來源：TES）
現代醫用呼吸機中內置的傳感器就是這種技術的好例子。圖5中的框圖顯示了典型機器的內部工作原理。請注意，除了一個傳感器外，所有傳感器都在監控呼吸機的功能。CO 2傳感器是唯一監測患者功能的傳感器。
家庭醫療保健
醫學界有一種趨勢，即將患者從醫院轉移到家庭醫療保健環境中。患者在家中更加舒適。他們得到熟悉的護理人員的關注，可以更快地從疾病中恢復。家庭醫療保健設備中內置的傳感器使機器可靠、操作簡單，且無需醫療專業人員持續關注。其結果是提高了患者的安全性，並改善了醫療結果。
未來
整個醫療行業正在努力將更多傳感器整合到醫生及其團隊使用的機器和程序中。傳感器的添加有助於密切關注設備的功能和性能，從而使醫療專業人員能夠將目光轉向患者，並創造更好的臨牀結果。無論是用於監控患者，還是監控用於治療患者的醫療機器，傳感器的日益普及都將爲醫學界帶來巨大的好處。
標題：智能傳感器正在改善醫療保健
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