用于實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備微型化的傳感器解決方案

　　為什么結(jié)構(gòu)緊湊攜帶方便如此重要

　　追求外型更小巧、便攜性更高的醫(yī)療設(shè)備的浪潮幾乎影響著現(xiàn)代醫(yī)療護(hù)理的所有方面，其中患者運(yùn)送、吸氧和門急診這一類應(yīng)用受到的影響尤其顯著，因?yàn)樵O(shè)備越小巧，就越方便使用，越能及時(shí)地挽救生命。例如，質(zhì)量輕的緊湊型患者監(jiān)護(hù)儀和支持設(shè)備能夠確保醫(yī)療小組立即為患者提供高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)，使以前只能在手術(shù)室和ICU病房才能執(zhí)行的治療和護(hù)理在當(dāng)?shù)卦\所、事故現(xiàn)場救護(hù)設(shè)施甚至是救護(hù)車和醫(yī)療直升機(jī)上也能成功實(shí)施。

　　體積較小的呼吸器、輸液泵(圖1)和生命體征兆監(jiān)測儀同樣也能幫助醫(yī)院提高病房和ICU病房護(hù)理質(zhì)量。此外在手術(shù)室中，緊湊型監(jiān)護(hù)儀、輸液泵與抽吸設(shè)備也使術(shù)前洗擦消毒小組擁有更大空間，更輕松地接觸患者和操作監(jiān)測儀、生命支持及治療設(shè)備。

　　新傳感器選件使緊湊型設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)

　　但直到近期，在實(shí)現(xiàn)微型化和更高便攜性的道路上，傳感器的發(fā)展還有很大空間，這種機(jī)械/模擬元件的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上筆記本電腦、平板電腦、游戲機(jī)和其他消費(fèi)產(chǎn)品中的數(shù)字化計(jì)算、顯示和通信技術(shù)的發(fā)展。而現(xiàn)在，依托小型傳感器和最新技術(shù)，設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)可以縮小設(shè)備尺寸并降低成本。

　　隨著新型小巧傳感器的部署，以及廣泛的小型封裝和安裝選件的跟進(jìn)，設(shè)備微型化的進(jìn)程開始啟動。其他領(lǐng)域中，新型解決方案通過將多個傳感器元件集成到一個封裝中，幫助設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)了更大的空間節(jié)約。這一先進(jìn)的集成技術(shù)使傳感器可以布置在小型外科設(shè)備和其他應(yīng)用中，將過去的不可能變?yōu)槿缃竦默F(xiàn)實(shí)。

　　擁有機(jī)械接口、安裝、封裝和I/O等眾多選件的傳感器平臺賦予了醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)師空前的自由。例如，壓力傳感器提供了對配連接(端口型)、封裝與輸出(模擬或數(shù)字)多種選項(xiàng)，從而能夠滿足應(yīng)用嚴(yán)格的功能、成本和空間要求(圖2)。

　　電路板安裝型傳感器憑借多種優(yōu)勢，成為醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)設(shè)計(jì)中最受歡迎的空間節(jié)約組件之一。例如，在用于測量流體壓力或流量的傳感器中，電路板安裝型封裝能夠把傳感元件牢固固定在印刷電路板(PCB)上，使之盡可能靠近患者和/或液體介質(zhì)(如血液、化學(xué)物質(zhì)或水)。

　　這在某些應(yīng)用中尤為重要。例如血液透析機(jī)要求精準(zhǔn)測量透析液和靜脈壓力，以確保患者在治療期間安全、舒適。精確測量流體壓力和血壓，有助于消除過高壓力或過低壓力、避免血管破裂或透析管路中出現(xiàn)氣泡。對于這種類型的應(yīng)用，電路板安裝型傳感器支持極端的工作距離，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度、高精度的測量，且能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)變化(圖3)。

　　除實(shí)現(xiàn)精確測量外，電路板安裝型傳感器還支持設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)更簡單、更可靠的設(shè)計(jì)，通過自動化設(shè)備快速裝配。壓力和流量傳感器通常支持多種電路板安裝型封裝，其中大部分都提供適于不同集成端口方向的選件，在需要為連接傳感器的管路(無論何種介質(zhì))留出毫無障礙的路徑時(shí)，這些選件將發(fā)揮重要作用。

　　結(jié)合了傳感器端口與預(yù)集成歧管的封裝選件更能為某些應(yīng)用節(jié)省空間，它們擯棄了在傳感器/端口組件與其目標(biāo)介質(zhì)之間的管路和相關(guān)連接，形成了更簡單、更緊湊的設(shè)計(jì)。預(yù)集成的歧管安裝支持直接連接，消除了常規(guī)設(shè)計(jì)中常見的多點(diǎn)阻塞、泄漏和其他類型故障。制造商也發(fā)現(xiàn)取消優(yōu)化端口性能所需的反復(fù)試驗(yàn)后，預(yù)集成歧管能夠顯著節(jié)約項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人工成本，縮短開發(fā)周期。

　　多傳感器/多功能封裝

　　結(jié)合溫度和濕度、或溫度和壓力測量等多種功能的集成傳感器解決方案為大量醫(yī)療設(shè)備提供了眾多優(yōu)勢。多傳感器解決方案可以將兩或更多傳感器器元件組裝在一起(圖4)，也可以將單獨(dú)封裝的多個傳感器集成到一個緊湊型組件中。

　　多傳感器封裝還為設(shè)計(jì)工程師提供了其他眾多優(yōu)勢，包括：簡化設(shè)備設(shè)計(jì)，降低制造成本;簡化設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程;減少零件和連接點(diǎn)數(shù)量(即潛在的故障源)，提高患者舒適度和安全性;多傳感器元件具有更高可靠性和更出色的性能，降低總擁有成本。

　　將更多功能整合到傳感器組件中也能夠獲得類似優(yōu)勢。例如經(jīng)過完全校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償和放大的傳感器減少了PCB上的組件數(shù)量，使產(chǎn)品尺寸、重量與成本得以大幅降低。一般而言，采用了這類計(jì)就不用再增加外部組件，如補(bǔ)償和校準(zhǔn)傳感器信號的電阻器與放大器等。

　　預(yù)集成傳感解決方案

　　預(yù)集成傳感解決方案(圖5)的最佳范例就是霍尼韋爾TruStability系列。該系列產(chǎn)品將傳感元件與廣泛種類的端口、安裝方式、電壓與輸出(數(shù)字或模擬)集成到一起并完整補(bǔ)償、校準(zhǔn)和放大了部分變量。此外，數(shù)字接口設(shè)計(jì)消除了模擬輸出所需的外部電阻器、電容器和放大器，節(jié)省了更多空間。

　　許多TruStability傳感器平臺都支持用戶進(jìn)行自由配置，以滿足特定醫(yī)療設(shè)備的特殊要求。此外，傳感器平臺的構(gòu)件從一開始便通過了嚴(yán)格驗(yàn)證，確保高品質(zhì)和可靠性。不再需要補(bǔ)償和校準(zhǔn)使設(shè)計(jì)工程師減少消耗大量資金的測試過程，甚至無需測試，從而使裝配周期更短，生產(chǎn)成本更低。

　　如果市場中沒有現(xiàn)成的解決方案，霍尼韋爾設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可提供具有高附加值的定制化壓力、溫度和濕度傳感產(chǎn)品，其中包括組合式傳感器、集成組件、定制接口封裝、非標(biāo)準(zhǔn)端子和溫度管理解決方案(圖6)。

　　液體兼容性

　　在設(shè)計(jì)中采用兼容液體的傳感器是個復(fù)雜的話題，最好是另辟一文予以說明，所以在本文中我們僅做簡單說明，介紹其對醫(yī)療設(shè)備外形的潛在影響。很多老式醫(yī)療設(shè)備使用不兼容液體介質(zhì)的傳感器，在潮濕環(huán)境中就需要增加附加組件來進(jìn)行保護(hù)，因此導(dǎo)致設(shè)備外觀笨重，成本昂貴，同時(shí)還極大地提高了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

　　幸運(yùn)的是，封裝與材料技術(shù)的進(jìn)步解決了這一問題，使應(yīng)用于苛刻環(huán)境的緊湊型傳感器的問世成為可能。

　　在前文提及的血液透析機(jī)等應(yīng)用中，傳感器直接接觸透析液使得它能夠在過濾患者血液時(shí)及時(shí)向泵控制器發(fā)送壓力反饋。霍尼韋爾基礎(chǔ)型傳感器平臺具有多種應(yīng)用的配置，集成了適用于透析機(jī)制造商的端口選件和封裝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師藉此能夠打造高性能的緊湊型醫(yī)療設(shè)備，同時(shí)顯著降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和開發(fā)投入。

　　結(jié)語

　　如今業(yè)界風(fēng)起云涌，追逐小型化且便攜性更好的醫(yī)療設(shè)備的潮流方興未艾，在改善醫(yī)療護(hù)理質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)高效性時(shí)，傳感器將在其中發(fā)揮重要作用。如今，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是創(chuàng)造適應(yīng)當(dāng)今產(chǎn)品要求的緊湊型傳感元件。在這一過程中，一方面利用最新傳感器集成技術(shù)，一方面緊抓最高效利用這些技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)踐，就能解決許多難題。

　　大部分傳感器制造商目前都可以提供相當(dāng)廣泛的先進(jìn)封裝技術(shù)和預(yù)集成多傳感器元件，設(shè)計(jì)師可從中選擇需要的選件創(chuàng)造屬于自己的緊湊型傳感解決方案。包括霍尼韋爾傳感與控制公司在內(nèi)的極少數(shù)制造商因能夠預(yù)集成大量元件，所以可提供集成度更高的傳感器元件。