医学传感器技术把握了现代健康设备的脉动
eeskill 2022-05-12

如今的患者在进入医院时,他们不仅要面对医生和护士,还要面对一系列先进的医疗诊断和分析设备,许多设备用来监测他们的生理参数,如体温、心率、血压、血氧水平等等。在患者和这些医疗设备之间的连接处,则是一系列高度可靠和精确的医疗传感器。

行业研究机构MarketsandMarkets预测,从现在起到2022年,医疗传感器市场的复合年增长率(CAGR)为8.5%,市场规模在2022年将达到150亿美元。业内有许多类似的其他趋势和技术也在推动该市场的增长,其中包括医疗服务提供商面临着越来越大的压力,以进一步降低运营成本。同时,全球人口正在步入老龄化,而消费者对远程医疗寄予很高的期望。

在更接近患者的传感器层面,MEMS、纳米技术、超低功耗传感器、无线充电和新通信协议的持续发展都会产生重大影响。此外,医疗设备设计人员正在关注传感器融合和多功能传感器的进展,这些传感器技术在未来可能会提供更大的应用空间。

监测生命体征

用于感测压力、温度和气流等参数的单功能传感器可用于多种医疗设备,从简单的测温设备、血压监测仪和输液泵到用于磁共振成像(MRI)、超声波、X射线和持续正压气道通气机器(CPAP,简称睡眠呼吸机)等复杂医疗设备。

欧姆龙(Omron)公司的D6F-01A1-110高精度MEMS流量传感器可用于呼吸和通气机设备、麻醉输送机和氧气浓缩器等。该器件可在0~1升/分钟的流量范围内提供气流测量,精度为±3%满量程。同样, 霍尼韦尔HAFBLF0400C4AX3高精度气流传感器可提供400SCCM范围的流量测量,精度为2.5%。这款传感器采用先进的板载ASIC,能够进行完全校准和温度补偿,可用于麻醉和治疗睡眠呼吸暂停以及雾化机(nebulisers)等。

在最重要的医用压力传感器中, Amphenol的P162是一种电路板安装压阻式(piezoresistive)器件,能够测量高达300mm Hg的压力。这款紧凑型传感器采用1150μmx725μm芯片,在子宫内压(IUP)测定等应用中具有重要作用。

与压力和气流传感器一样,温度传感器同样是各种医疗设备的关键组成部分。例如, Maxim的700-DS600U温度传感器 工作范围为-40℃~125℃,精度为±0.5℃。它可以集成到输液泵中,用于向患者输送液体、药物或营养物,以及各种形式的可携带体内治疗。Maxim的产品组合中还包括MAX30205MTA+,该板载传感器在0℃~50℃工作温度范围内具有±0.1°C的精度,它使用高分辨率Σ-Δ模数转换器(ADC),能够将测量的模拟温度转换为数字格式,在最终PCB上焊接时能够符合ASTM E1112临床测温规范。该传感器适用于医疗环境中的体温测量,同时适用于健身追踪器中的体温测量。为了在早产儿恒温箱(incubators)中持续监测体温,Amphenol开发了MA300TA103C,这是一款9.52mm直径的生物医学级NTC热敏电阻,工作温度范围为0℃~50℃。

非接触式体温测量是Melexis公司MLX90614ESF-BAA-000-TU等温度传感器的一种常见应用。MLX90614ESF-BAA-000-TU是一款由两个芯片构成的板载红外(IR)温度测量器件,包括一个红外敏感热电堆检测器和一个信号调节ASIC,该多芯片传感器可在-40℃~85℃温度范围内进行温度测量,精度为±0.5℃。

传感器融合和多功能传感器

在复杂医疗设备中,虽然具有不同功能的传感器现在已经变得很普遍,而且为了获得更好的结果,需要部署多个传感器的场合也越来越多。就像人类的大脑集成了嗅觉、味觉、触觉、视觉和听觉等许多不同的感官输入,能够提供更好的整体体验,技术进步也可以将来自多个传感器的输入数据流组合在一起,从而实现传感器融合。

传感器融合通常包括三个连续阶段:数据采集、特性融合、以及最后的决策合并。在第一阶段,多个传感器收集物理、化学、生物参数特征或图像等不同类型的信号。在下一阶段,收集的信号经过处理以提取相关信息,并消除噪声。最后,第三阶段通过一系列决策算法执行数据融合。

传感器融合实施的典型示例是一种目前正在使用的9轴9-SFA系统,它们包括一个3D加速度计,一个3D陀螺仪和一个3D磁力计(magnetometer)。三个传感器中的每一个都能够提供独特的输入,但却都具有某些运行方面的局限。例如,加速度计可提供x轴、y轴和z轴线性运动感测,但对振动非常敏感。同样,陀螺仪可进行俯仰、滚转和偏航旋转感测,但是却容易受零点偏置漂移(zero bias drift)影响。虽然磁力计能够提供x,y和z轴磁场感应,但会受到电磁干扰(EMI)的影响。然而,通过数据融合,将这些传感器功能组合在一起可以获得丰富的感测数据,从而可用于广泛的医学学科应用。

意法半导体的SensorTile (STEVAL-STLKT01V1)是一款13.5mm x 13.5mm“交钥匙型”传感器融合开发板,带有各一个MEMS加速度计、陀螺仪、磁力计、压力传感器以及一个MEMS麦克风(见图1),该开发板配有STM32L4 32位ARMCortex-M4微控制器。同样,NXP的 FXOS8700CQR1是一款由一个3轴线性加速度计和一个3轴磁力计组合而成的单一封装,该传感器包含可选的I2C或点对点SPI串行接口,具有14位加速度计和16位磁力计ADC分辨率,可提供动态可选的满量程加速度范围±2g、±4g和±8g,以及固定磁场测量范围±1200μT,该传感器在医疗领域的主要应用包括患者监测、跌倒检测和康复等等。

图3:意法半导体SensorTile的功能框图。

传感器融合技术是将多个传感器的输入组合形成一个输出,相比之下,使用多功能传感器的医疗设备则可通过单一传感器实现多参数生物特征和健康监测。从这些器件收集的多层面生物信息可以帮助护理人员和临床医生实时监控患者的健康状况,同时可以分析所采集的数据以进行医疗诊断。例如,可穿戴式健康监测胸部佩戴设备集成有控制器板、心电图(ECG)传感器、温度传感器、加速度计和振动马达,可为医务人员提供重要的信息输入。

Maxim的MAX30001多功能传感器可根据患者体内产生的电信号来测量生物电位(biopotential),该模块具有包含生物电位和生物阻抗(BioZ)传感器的模拟前端(AFE),可为波形、心率和起搏器边缘检测提供单一生物电位通道,并具有单个生物阻抗通道用于呼吸测量,其应用包括生物认证和因需而定的心电图应用、呼吸和水合监测、心率监测和心律失常检测。

患者在医院寻求治疗时,通常会接受广泛的诊断检查,但一旦出院,他们就会从医生的监测视野中消失,这是医疗保健行业的一个重要盲区。本文所讨论的一些技术项目,将有助于把对患者健康状况进行全天候监控变成现实。

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