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测压传感器介绍及在医疗电子中的应用

发布时间:2020-02-14 16:21:52

测压传感器介绍及在医疗电子中的应用

测压传感器介绍及在医疗电子中的应用

测压传感器基本上是可将力或重力转化为电信号的换能器。数十年来,这种传感器广泛用于各行各业的测量和传感领域。大多数测压传感器的核心部件是电阻应变计。该元件受到拉力或压力时,电阻会发生变化。箔应变计是最常用的一种,由经过热处理的超薄金属箔片制成。该箔片可以在介电薄层上化学蚀刻而成,或者采用真空沉积或溅射技术,通过材料的分子键合附着在介电层上。后一种技术通常称为薄膜法。理想的应变计应该体积小,成本低,对于负荷方向上的应变极为灵敏,而且不受周围环境温度变化的影响。

要通过应变计测量应变,所用电路必须能够测量微小应变带来的微弱电阻变化。应变计换能器通常包括4个应变计元件,这些元件通过导线连接成惠斯顿电桥电路。作为应变测量的最佳选择,这种电路为四脚并联分离式电桥电路,它可测量电阻变化引起的电流改变。其输出电压以单位输入电压下的毫伏数表示(mV/V)。惠斯顿电桥也适用于温度补偿。

测压传感器种类及相应的测压技术

一般的惠斯顿电桥电路包括4个应变计。但有些测压传感器可使用8、16、32甚至更多个应变计,而另一些设备则仅使用一到两个应变计。应变计定位是否准确、安装方式如何以及所用的材料决定了测压传感器的性能。换能器的模拟输出通常需要进行信号调节、放大和数字化,以显示力、测重、压力、位移或所受的扭矩。

箔应变计具有一些明显的优点,例如:体积较小,具有多种测量模式和温度补偿功能。这种应变计生产成本低,安装方式灵活,既可安装在平坦、弯曲或有槽的表面,也可安装在内孔的表面,因而适合各种创新性的设计要求,这是目前应用最为广泛的选择。

微电机系统(MEMS)是该领域的最新技术。MEMS为蚀刻成梁柱形、隔膜形或板形的微型硅元件,可在测压元件内发挥传感器的功能。与集成电路的制造工艺类似,MEMS也是通过整体和表面微加工技术制成。MEMS可以大批量生产,因为可以在有集成电路的单晶片上加工数以千计的传感器元件。尽管这种传感器能够以极低的成本(低至几美元)大批量生产,但与箔应变计相比,其应用范围仍很有限。MEMS在医疗领域最常用于那些成本低、产量大(数百万以上)的一次性产品中,例如:一次性血压传感器和用于测量球囊导管压力的血管成形装置。

由工业进入医疗行业

大多数情况下,尺寸和成本是产品从普通工业领域转入医疗行业过程中的最大问题。产品转化时其量程和可靠性等基本技术特点并未改变,但医疗行业一般需要测量盎司、克和毫克级的负荷,而工业环境下,负荷一般以磅、千牛顿或吨为单位。唯一例外的是理疗康复器械,这种器械通常使用标准尺寸的测压传感器。

所有医用测压传感器都必须高度精确并紧凑包装,以便轻便易携,特别是器械要与病人直接连接时。如果传感器用于某医疗器械集成的监测仪器内,要使用不锈钢和阳极化铝等标准包装材料。如果设备与人体或液体直接接触,则可使用可高压蒸汽灭菌的特种不锈钢或一次性传感器。

医用测压传感器早期曾用于力学测量等领域,如病床负重监测。20世纪80年代早期之前,护士必须亲自测量病人的体重,跟踪明显波动。在病床上安装测压传感器后,病床可有效地将病人的准确体重传输到手持式设备上。每张病床一般安装4个测压传感器,每条床腿下一个,这些传感器将数据传输到与相关设备或控制器连接的接线盒内。

不久以后,人们将小型测压传感器应用到容易发生人为错误的领域,例如:用于给药的输液泵。以往,人们将液体、药物或营养液装到输液袋中

,悬挂起来,使液体通过软管依靠重力输入病人体内。为了尽可能精确地调节流速,人们使用了各种钳夹方法。另外,护士还要频繁地监测输液,确保输液正确,输液袋内液体尚未流尽,而且未发生回血。将测压传感器和监测系统引入简易输液设备中,省却了主观判断的过程。测压传感器可准确测量输液袋的重量,当液体重量于预先设定值不同时,传感器会立即向连接的设备发出警告信息。通常,小型弯梁测压传感器(量程100g至1lb)安装在软管下的储液器上。传感器可检测输液期间的导管重量变化,并与电子控制器进行数据通信。

将测压传感器与以往单纯的机械技术结合,可以将信息反馈给其他设备。将自动化引入许多医疗领域中,可以减少操作中的人为错误。测压传感器提供的数据被永久记录下来,这样也可大大改进医疗过程的跟踪记录,便于确认。

现在,理疗器械的测压传感器直径仅3–4英寸,最小的还不到半英寸。量程从几毫克到几百磅,不受测压传感器尺寸的影响。即使最小的测压传感器也具有与较大传感器相同的量程、精度和重复性。传感器尺寸小到一定程度时,确实会限制其量程,但多数医疗应用都不需要用到大型测压传感器的重量量程。

半导体和电路设备先进的计算机自动化、 无线连接以及不断减小的体积和不断增强的功能,大大扩展了测压传感器在医疗领域的应用范围。此前提到的输液技术和病床负重测量方法应用仍很广泛,但随着集成自动化设备的使用,这些应用变得更为复杂了(见图1)。

医用测压传感器目前用于各种精细的液体监测领域中,例如:输血、肾透析和献血。在这些应用中,测压传感器可确保进入体内、排出体外或者置换的液体量正确,并且按照正确的时间、剂量或比例,开始和停止输送,或者进行再循环。与以往的手动监测相比,现在医生和护士能够监测的病人数量都大大增加。

图1. 许多医疗领域使用了传感器技术。

肾透析:一般的肾透析设备要靠一个或多个测压传感器,确保过滤系统绝对平衡并且按时运转。透析设备必须排出污染的血液,进行血液净化,然后将净化后、再氧合的血液重新回输到病人体内。任何设备故障都会造成灾难性的后果。此类设备通常采用小型测压传感器,通过检测悬挂输液袋的重量,监测透析的流速,确保整个透析过程的安全。

这属于无创性测量法,因为体液不直接接触传感器部件。透析器通常使用称为S-beam Jr.的测压传感器,它具有5–10lb的量程和1000%的过载保护,与1元硬币大小接近。这种传感器连接在悬挂输液袋的末端,输液袋通过两根软管与透析器相连。一根导管用于液体输入,另一根用于排出。有些透析设备使用多个输液袋,因此需要多个测压传感器。每个传感器均与可编程逻辑控制器或计算机相连,通过重量测量监测流量。利用测压传感器提供的信息,透析器可自动执行和控制透析过程,同时采集数据,必要时进一步分析。

内镜手术:内镜是另一个常采用测压传感器技术的特殊领域。在内镜手术中,器械压力极为关键,切口深度必须极为准确。测压传感器可监测这些器械对组织的作用力,从而大大提高手术的准确性。

开发内镜工具时,在工具前端装上外径约3/8英寸以下的小型纽扣式测压传感器,可减小工具穿刺时所需的力,改进工具设计。传感器量程为50–100lb,可将所需的力从以前的75lb降低至约25lb以下。力的减小表示医生只需使用较小的力,病人遭受的疼痛也较轻。

在这些工具的最终生产过程中,封装尺寸极小(一般为0.4mm)的MEMS传感器被整合到工具内部,帮助医生监测和控制实际手术中的穿孔和穿刺力。这样可避免用力过大,还可采集数据,必要时进一步分析。

康复治疗:大型测压传感器(2–4英寸)可用于理疗设备中,监测肌肉恢复情况。这些传感器一般集成在手持式设备中,监测外伤、关节炎或中风患者的康复进程。

拉力设备也可通过同样的原理监测腿部对某物体表面的推力和牵引力。与握力或拉力设备相连的测压传感器可显示受损肌肉的确切变化,以及每个疗程结束后的改善情况。这样,理疗师就能根据病人的需要制定合适的治疗种类。这些传感器直径为1至4英寸,量程为50–1000lb。为此,人们设计了许多不同构造的设备,但这些设备都有两个共同点:病人对某物体施加作用力,物体与测压传感器相连,传感器将测得的结果发送到数字显示装置或计算机上。计算机随后将模拟信号转变为数字信号,以便准确、实时显示结果。

矫形外科:将极小型平板式或纽扣式测压传感器植入鞋跟内,并与头戴式无线电设备相连。当使用者走路姿势正确、能够保持平衡时,测压传感器可启动无线电设备,播放音乐。如果患者步态不正确,身体不平衡,无线电设备会停止播放音乐,这样即可纠正错误的步态和行走方式。

监测MRI运动:为了控制或监测磁共振成像(MRI)期间病人的运动,可使用特殊的手握式测压传感器,监测病人运动和力量衰减。监测结果还可提示病人是否意识丧失。开发可用于MRI环境中的特殊、非磁性测压传感器,需要使用特殊的制造工艺和材料。

早产监测:测压传感器还可用于监测孕期不规则的压力变化,预防早产缺陷。一种集成了弯梁测压传感器的设备可监测这种压力变化。该设备由一条特制腰带组成,可缠绕在妊娠妇女的腹部。腰带上装有微处理器控制器、测压传感器和调制解调器。设备检测到压力不规则时,可通过无线调制解调器呼叫护理中心,提醒妇产科医生这种子宫压力变化是否需要紧急处理。

前沿应用

图2. 假肢中所用的传感器可测量脚、腿、脚趾或手指的力量。

微型测压传感器:测压传感器可通过各种方式用于膝关节和髋关节置换的研发和手术过程中。在手术过程中,可通过小型的定制式S形剪切梁测压传感器,测量肌腱和韧带的扭力。此外,定制钳夹式软组织测压传感器可准确测量伸膝装置的术中作用力。人造髌韧带等植入物开发时,用于研发的定制式测压传感器,也可用于植入物内,测量韧带的拉力(见图2)。

膝关节植入物中直接使用的测压传感器包括植入式膝关节模拟器以及膝关节和胫骨模拟器,前者可测量髌骨植入物受到的关节作用力。该装置可与试验用膝关节植入物连接,测量胫骨和股骨间的负荷。对髌股关节的负荷平衡进行评估,有助于平衡各软组织结构的负荷、对植入物进行精确定位,改善膝关节稳定性。

测压传感器的微型化有助于牙科研究人员和设备制造商确定各种条件下各颗牙齿的咬合力度。这样,研究人员就能改进牙科工作中所用的材料以及托牙和牙假体。一种小型的50lb应变计测压传感器,或者每颗牙齿下均装有传感器的一套定制式托牙,可将相关信息传输到数字显示装置或远程数据采集设备中。牙科技术人员可利用这些信息准确了解患者颌骨和牙齿的位置和压力点,设计对合良好、咬合正常的齿列。

扁平和多部件测压传感器:人工关节和机械假肢制造商从普通工业质控流程中借鉴了这种技术。髋关节和膝关节模拟器中使用了多个扁平形测压传感器,可同时对多个关节进行摩擦和磨损测试,确定器械的耐久性和平均无故障使用时间,以便开发出更坚固、更灵活的设备,达到终生无故障使用的目的。

杆端测压传感器:假肢在帮助残疾人移动中起到了十分重要的作用。但是,由于没有肌肉和神经系统,许多功能都很受限。制造商正在使用特殊的杆端测压传感器对力进行监测和显示,研究如何将这些数据传送到病人的脑内,从而建立一个闭环控制系统。

展望

微型化和自动化正在从根本上改变医用测压传感器的应用情况,尤其是在受惠于自动化的外科手术领域。随着自动手术器械的日趋精密,测压传感器将有助于开发出更经济高效、更精密的自动化手术技术。其中一个方法就是在这些自动机械上增加触觉功能。各种尺寸、形状和量程不同的测压传感器使这些进步得以实现。将来,测压传感器将逐步微型化和智能化,并具有互换性和通信功能,从而使自动机械具有与人类触觉相同甚至更为出色的感知能力。该技术将拓展外科手术的应用范围,同时降低总体成本,挽救更多生命。

测压传感器也将用于各种预防性医疗器械中。目前,人们已经利用微型测压传感器纠正一些不良习惯和预防损伤。简单的做法例如将测压传感器安装在高尔夫装备袋或力量训练设备上,避免过度提拉损伤。复杂的应用例如在自动控制假肢上使用多个微型测压传感器,使患者的脚趾和手指能够感知压力,并将数据传输给大脑,及时做出反应。

以今天的技术发展速度,再过10年,普通的测压传感器将会成为各种医疗操作中新技术探索的关键,将目前只能想像的技术化为现实。

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