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微型傳感器在醫療應用中的作用
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微型傳感器在醫療應用中的作用

微型傳感器在醫療應用中的作用

  在不斷縮小的空間范圍內設計可靠,精確的傳感器功能的能力在廣泛的應用中是至關重要的 - 并且是一項困難的要求。

  在不斷縮小的空間范圍內設計可靠,精確的傳感器功能的能力在廣泛的應用中是至關重要的 - 并且是一項困難的要求。然而,除了其他好處之外,小型化(包括縮小尺寸模塊系統)可以通過為設計人員提供更大的靈活性來定位印刷電路板(PCB)上的元件,從而釋放寶貴的電路板空間并減少干擾。

  醫療行業仍然是傳感器小型化和超可靠性的主要驅動因素,因為人體內部的應用需要極小,精確的傳感器,因為它們在醫療程序中具有很大的應用前景。關節成形術(用于關節置換的力傳感器)和脊柱融合術。在外部使用中,傳感器供應商必須提供靈活的安裝選項,以確保傳感器盡可能靠近患者和/或液體(例如藥品,血液或水)放置,以便進行準確和精確的測量。

  小型便攜式醫療設備的開發,以適應醫院狹小的空間,也使護理人員能夠快速,輕松地將設備從一個病人轉移到另一個病人。傳感器的小型化有助于在移動醫療設備,可穿戴技術和手持式儀器等設計中實現這一目標。

  許多元素必須融合才能實現這種縮小尺寸。例如,除了適合本身尺寸較小的最終產品的物理和包裝要求之外,還存在預算和技術問題,例如通過將多個傳感器功能集成到單個較小的封裝中來不斷降低BOM成本。

  將醫療傳感器的發展置于背景中,讓我們簡單介紹一下心臟起搏器的歷史。

  哥倫比亞醫生Alberto Vejarano Laverde與哥倫比亞電氣工程師Jorge Reynolds Pombo合作建造了第一臺心臟起搏器。這個重45公斤或99.2磅。并且由12伏自動電池供電,電極連接到心臟,并用來保持70歲的牧師Gerardo Florez活著。一旦硅晶體管出現在圖片中,事情變得容易一些。第一個完全植入式起搏器于1958年在瑞典。它與連接到心臟心肌的電極相連。它持續了三個小時。第二個植入設備使它成為兩天。第一個植入式起搏器接收者Arne Larsson實際上共接收了26臺設備,并在86歲時去世。

  與大多數電子產品創新一樣,心臟起搏器越來越小,功能越來越強。例如,最近的進步包括無引線起搏器設備,其性能與傳統競爭對手一樣,并且其尺寸為傳統設備的10%,迷你設備直接放置在患者的心臟內。這是通過導管無需手術完成的。集成度很高,即使在很小的狀態下,因為它包含活動傳感器,代謝傳感器和雙傳感器,能夠測量溫度,姿勢和心律失常的后果。

  起搏器和其他心臟相關技術一直在不斷發展,因為心臟病是發達國家的主要死亡原因,早期診斷,治療和維護至關重要。生物醫學工程師已經成功開發了微型儀器來打開阻塞的動脈和治療心血管疾病。但是,這些工具仍然容易引起感染。微型納米技術傳感器將能夠感知和監測生物信號,例如蛋白質或抗體在心臟或炎癥事件中的釋放。

  除了心臟起搏器之外,其他針對醫療目標的公告最近也定期發布新聞報道。最近,特溫特大學公布了世界上最小的手力傳感器 1 的原型,用于測量康復患者的運動功能。它比指尖小,可以測量你的手所施加的力。這種小型傳感器可以內置于手套和假肢裝置中,也可以設計成自行車踏板,鞋底或觸摸屏。除了測量總力之外,傳感器還可以測量施加力的方向,這對于廣泛的應用非常重要。該裝置測量體力勞動中涉及的負荷以及運動員或康復患者的表現,作為提高技能的手段,并且它解決了具有足夠小的單元來測量手指和被抓物體之間施加的力的挑戰。

  目前醫療應用傳感器小型化的發展正在迅速走出實驗室并進入一日工作世界。考慮人體呼吸,其需要在呼吸期間測量人體肺內和/或外部的空氣流量。在清醒鎮靜期間監測和評估患者呼吸功能是重要的,這是一種藥理學誘導的放松狀態,其中患者在例如牙科治療期間保持清醒和合作。對呼吸循環的了解也可用于檢測睡眠呼吸暫停。通常,這些技術通過在沿著管的側面定位的兩個端口處感測分流配置中的流動引起的壓差來間接地測量呼吸管中的流量。

  壓力傳感器可以集成到許多設計中,因為它們提供了許多配合連接和封裝選項(表面貼裝,DIP,SIP),以及可選擇的輸出(模擬或數字)。 All Sensors Miniature系列壓力傳感器用于醫療儀器和呼吸呼吸,可節省空間并提供高性能。 H-GRADE是該公司毫伏輸出壓力傳感器的高精度版本(圖1)。它們提供校準的毫伏輸出,具有出色的輸出特性,減少了由于溫度變化等因素造成的輸出偏移誤差。供應商還指出,傳感器在預熱期間提供穩定性,并在長時間內提供穩定性。此外,該傳感器采用硅,微加工,應力集中增強結構,為測量壓力提供線性輸出。

  該系列傳感器適用于非腐蝕性,非離子工作諸如空氣,干燥氣體等的流體。器件的輸出與電源電壓成比例,可以接受任何直流電源電壓高達+ 16 V的操作。功能包括0至4“H2O至0至100 PSI壓力范圍,0.5%線性度,溫度補償以及校準零點和量程。

  傳統醫療應用的傳感器的另一個例子是MLX90615SSG-DAA-000-TU超小型Melexis Technologies的智能非接觸式紅外測溫儀(圖2)。用于耳溫計和發熱體溫計,以及連續體溫監測,該設備被認為是世界上最小的“智能”紅外測溫儀,具有直徑僅為4.7毫米(0.185英寸),高度為2.7毫米(0.106英寸)。

  信號處理芯片集成在晶體管外形封裝中,為完全校準的溫度計提供即插即用的優勢。憑借其低噪聲放大器,16位ADC及其DSP單元,可實現溫度計的高精度和高分辨率;例如,在30-40?C的關鍵范圍內,精度可達±0.1?C。

  在醫療領域,加速度計用于監測運動。用于運動和健康設備的微型傳感器的一個例子是ADI公司的3軸ADXL 335加速度計(圖3)。

  ADXL335是一個完整的3軸加速度測量系統。它的測量范圍至少為±3 g,并包含一個建在硅晶圓和信號調理電路之上的多晶硅表面微機械傳感器,以實現開環加速度測量架構。輸出信號是與加速度成比例的模擬電壓。

  多晶硅彈簧將結構懸掛在晶圓表面上,并提供抵抗加速力的能力。使用差分電容器測量結構的偏差,該差分電容器由獨立的固定板和附接到移動質量塊的板組成。固定板由180°異相方波驅動。加速度使移動質量偏轉并使差分電容器失衡,從而產生傳感器輸出,其幅度與加速度成比例。然后使用相敏解調技術來確定加速度的大小和方向。

  解調器輸出被放大并通過32kΩ電阻帶到芯片外。用戶通過添加電容器來設置器件的信號帶寬。此過濾可提高測量分辨率并有助于防止混疊。該設備可以測量傾斜傳感應用中的靜態重力加速度,以及運動,沖擊或振動引起的動態加速度。

  總結

  正如我們所見傳感器在許多醫療應用中發揮著關鍵作用,而更多的傳感器正基于正在發生的小型化趨勢。從一個非常大的心臟起搏器轉變為適合心臟的心臟起搏器是一項驚人的壯舉,結合了醫學和傳感器技術的進步。

  雖然小型并不總能轉化為成本效益,但它通常會轉化為高度集成而不會降低性能,這在醫療應用中非常重要,因為它在尺寸,易用性,便攜性,可靠性,準確性和成本是至關重要的。

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