醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)把握了現(xiàn)代健康設(shè)備的脈動

如今的患者在進(jìn)入醫(yī)院時(shí)，他們不僅要面對醫(yī)生和護(hù)士，還要面對一系列先進(jìn)的醫(yī)療診斷和分析設(shè)備，許多設(shè)備用來監(jiān)測他們的生理參數(shù)，如體溫、心率、血壓、血氧水平等等。在患者和這些醫(yī)療設(shè)備之間的連接處，則是一系列高度可靠和精確的醫(yī)療傳感器。

行業(yè)研究機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets預(yù)測，從現(xiàn)在起到2022年，醫(yī)療傳感器市場的復(fù)合年增長率(CAGR)為8.5%，市場規(guī)模在2022年將達(dá)到150億美元。業(yè)內(nèi)有許多類似的其他趨勢和技術(shù)也在推動該市場的增長，其中包括醫(yī)療服務(wù)提供商面臨著越來越大的壓力，以進(jìn)一步降低運(yùn)營成本。同時(shí)，全球人口正在步入老齡化，而消費(fèi)者對遠(yuǎn)程醫(yī)療寄予很高的期望。

在更接近患者的傳感器層面，MEMS、納米技術(shù)、超低功耗傳感器、無線充電和新通信協(xié)議的持續(xù)發(fā)展都會產(chǎn)生重大影響。此外，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員正在關(guān)注傳感器融合和多功能傳感器的進(jìn)展，這些傳感器技術(shù)在未來可能會提供更大的應(yīng)用空間。

監(jiān)測生命體征

用于感測壓力、溫度和氣流等參數(shù)的單功能傳感器可用于多種醫(yī)療設(shè)備，從簡單的測溫設(shè)備、血壓監(jiān)測儀和輸液泵到用于磁共振成像(MRI)、超聲波、X射線和持續(xù)正壓氣道通氣機(jī)器(CPAP，簡稱睡眠呼吸機(jī))等復(fù)雜醫(yī)療設(shè)備。

歐姆龍(Omron)公司的D6F-01A1-110高精度MEMS流量傳感器可用于呼吸和通氣機(jī)設(shè)備、麻醉輸送機(jī)和氧氣濃縮器等。該器件可在0～1升/分鐘的流量范圍內(nèi)提供氣流測量，精度為±3%滿量程。同樣， 霍尼韋爾HAFBLF0400C4AX3高精度氣流傳感器可提供400SCCM范圍的流量測量，精度為2.5%。這款傳感器采用先進(jìn)的板載ASIC，能夠進(jìn)行完全校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償，可用于麻醉和治療睡眠呼吸暫停以及霧化機(jī)(nebulisers)等。

圖1：霍尼韋爾的HAFBLF0400C4AX3氣流傳感器。

在最重要的醫(yī)用壓力傳感器中， Amphenol的P162是一種電路板安裝壓阻式(piezoresistive)器件，能夠測量高達(dá)300mm Hg的壓力。這款緊湊型傳感器采用1150μmx725μm芯片，在子宮內(nèi)壓(IUP)測定等應(yīng)用中具有重要作用。

與壓力和氣流傳感器一樣，溫度傳感器同樣是各種醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵組成部分。例如， Maxim的700-DS600U溫度傳感器 工作范圍為-40℃～125℃，精度為±0.5℃。它可以集成到輸液泵中，用于向患者輸送液體、藥物或營養(yǎng)物，以及各種形式的可攜帶體內(nèi)治療。Maxim的產(chǎn)品組合中還包括MAX30205MTA+，該板載傳感器在0℃～50℃工作溫度范圍內(nèi)具有±0.1°C的精度，它使用高分辨率Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，能夠?qū)y量的模擬溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，在最終PCB上焊接時(shí)能夠符合ASTM E1112臨床測溫規(guī)范。該傳感器適用于醫(yī)療環(huán)境中的體溫測量，同時(shí)適用于健身追蹤器中的體溫測量。為了在早產(chǎn)兒恒溫箱(incubators)中持續(xù)監(jiān)測體溫，Amphenol開發(fā)了MA300TA103C，這是一款9.52mm直徑的生物醫(yī)學(xué)級NTC熱敏電阻，工作溫度范圍為0℃～50℃。

非接觸式體溫測量是Melexis公司MLX90614ESF-BAA-000-TU等溫度傳感器的一種常見應(yīng)用。MLX90614ESF-BAA-000-TU是一款由兩個(gè)芯片構(gòu)成的板載紅外(IR)溫度測量器件，包括一個(gè)紅外敏感熱電堆檢測器和一個(gè)信號調(diào)節(jié)ASIC，該多芯片傳感器可在-40℃～85℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量，精度為±0.5℃。

圖2：Melexis公司 MLX90614ESF-BAA-000-TU溫度傳感器。

傳感器融合和多功能傳感器

在復(fù)雜醫(yī)療設(shè)備中，雖然具有不同功能的傳感器現(xiàn)在已經(jīng)變得很普遍，而且為了獲得更好的結(jié)果，需要部署多個(gè)傳感器的場合也越來越多。就像人類的大腦集成了嗅覺、味覺、觸覺、視覺和聽覺等許多不同的感官輸入，能夠提供更好的整體體驗(yàn)，技術(shù)進(jìn)步也可以將來自多個(gè)傳感器的輸入數(shù)據(jù)流組合在一起，從而實(shí)現(xiàn)傳感器融合。

傳感器融合通常包括三個(gè)連續(xù)階段：數(shù)據(jù)采集、特性融合、以及最后的決策合并。在第一階段，多個(gè)傳感器收集物理、化學(xué)、生物參數(shù)特征或圖像等不同類型的信號。在下一階段，收集的信號經(jīng)過處理以提取相關(guān)信息，并消除噪聲。最后，第三階段通過一系列決策算法執(zhí)行數(shù)據(jù)融合。

傳感器融合實(shí)施的典型示例是一種目前正在使用的9軸9-SFA系統(tǒng)，它們包括一個(gè)3D加速度計(jì)，一個(gè)3D陀螺儀和一個(gè)3D磁力計(jì)(magnetometer)。三個(gè)傳感器中的每一個(gè)都能夠提供獨(dú)特的輸入，但卻都具有某些運(yùn)行方面的局限。例如，加速度計(jì)可提供x軸、y軸和z軸線性運(yùn)動感測，但對振動非常敏感。同樣，陀螺儀可進(jìn)行俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航旋轉(zhuǎn)感測，但是卻容易受零點(diǎn)偏置漂移(zero bias drift)影響。雖然磁力計(jì)能夠提供x，y和z軸磁場感應(yīng)，但會受到電磁干擾(EMI)的影響。然而，通過數(shù)據(jù)融合，將這些傳感器功能組合在一起可以獲得豐富的感測數(shù)據(jù)，從而可用于廣泛的醫(yī)學(xué)學(xué)科應(yīng)用。

意法半導(dǎo)體的SensorTile (STEVAL-STLKT01V1)是一款13.5mm x 13.5mm“交鑰匙型”傳感器融合開發(fā)板，帶有各一個(gè)MEMS加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、壓力傳感器以及一個(gè)MEMS麥克風(fēng)(見圖1)，該開發(fā)板配有STM32L4 32位ARM Cortex-M4微控制器。同樣，NXP的 FXOS8700CQR1是一款由一個(gè)3軸線性加速度計(jì)和一個(gè)3軸磁力計(jì)組合而成的單一封裝，該傳感器包含可選的I2C或點(diǎn)對點(diǎn)SPI串行接口，具有14位加速度計(jì)和16位磁力計(jì)ADC分辨率，可提供動態(tài)可選的滿量程加速度范圍±2g、±4g和±8g，以及固定磁場測量范圍±1200μT，該傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括患者監(jiān)測、跌倒檢測和康復(fù)等等。

圖3：意法半導(dǎo)體SensorTile的功能框圖。

傳感器融合技術(shù)是將多個(gè)傳感器的輸入組合形成一個(gè)輸出，相比之下，使用多功能傳感器的醫(yī)療設(shè)備則可通過單一傳感器實(shí)現(xiàn)多參數(shù)生物特征和健康監(jiān)測。從這些器件收集的多層面生物信息可以幫助護(hù)理人員和臨床醫(yī)生實(shí)時(shí)監(jiān)控患者的健康狀況，同時(shí)可以分析所采集的數(shù)據(jù)以進(jìn)行醫(yī)療診斷。例如，可穿戴式健康監(jiān)測胸部佩戴設(shè)備集成有控制器板、心電圖(ECG)傳感器、溫度傳感器、加速度計(jì)和振動馬達(dá)，可為醫(yī)務(wù)人員提供重要的信息輸入。

Maxim的MAX30001多功能傳感器可根據(jù)患者體內(nèi)產(chǎn)生的電信號來測量生物電位(biopotential)，該模塊具有包含生物電位和生物阻抗(BioZ)傳感器的模擬前端(AFE)，可為波形、心率和起搏器邊緣檢測提供單一生物電位通道，并具有單個(gè)生物阻抗通道用于呼吸測量，其應(yīng)用包括生物認(rèn)證和因需而定的心電圖應(yīng)用、呼吸和水合監(jiān)測、心率監(jiān)測和心律失常檢測。

患者在醫(yī)院尋求治療時(shí)，通常會接受廣泛的診斷檢查，但一旦出院，他們就會從醫(yī)生的監(jiān)測視野中消失，這是醫(yī)療保健行業(yè)的一個(gè)重要盲區(qū)。本文所討論的一些技術(shù)項(xiàng)目，將有助于把對患者健康狀況進(jìn)行全天候監(jiān)控變成現(xiàn)實(shí)。

作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick