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测压传感器介绍及在医疗电子中的应用

CMDM?? 2009年11月03日 ?? 收藏0

  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。

  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

  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)。

假肢中所用的传感器可测量脚

图2. 假肢中所用的传感器可测量脚、腿、脚趾或手指的力量。

  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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测压传感器? MEMS? 医疗电子? MRI?

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