醫(yī)療設(shè)備中氣流和硅基壓力傳感器的應(yīng)用

正如每種醫(yī)療過(guò)程的背后都有著一門(mén)真正的科學(xué)，在確定用于輔助疾病的診斷和治療的復(fù)雜醫(yī)療設(shè)備中的氣流和硅基壓力傳感器的背后也存在著一門(mén)科學(xué)。三種使用氣流和硅基壓力傳感器的醫(yī)療應(yīng)用是：麻醉機(jī)、睡眠呼吸機(jī)和醫(yī)院診斷設(shè)備。

麻醉機(jī)

麻醉機(jī)中使用的藥劑為設(shè)備帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。這些化學(xué)物質(zhì)通常粘度較大，可能會(huì)在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生堆積。在制造此類設(shè)備時(shí)，必須考慮到這種因素，并采取相應(yīng)恢復(fù)性措施。因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/醫(yī)療設(shè)備">醫(yī)療設(shè)備對(duì)于病人而言非常重要，所以要選擇一個(gè)能夠在設(shè)備的整個(gè)使用壽命中都能提供極好的靈敏度和精度的傳感器。選擇既能夠滿足性能需求，又能長(zhǎng)期保持性能穩(wěn)定的傳感器，就能確保傳感器在醫(yī)療設(shè)備的整個(gè)使用壽命期間正常使用。如果選擇了正確的傳感器，完全可以實(shí)現(xiàn)10年的傳感器生命周期。

工程師應(yīng)該考慮病人的呼吸頻率。病人的范圍可能包括從身體欠佳、呼吸頻率較慢的成年人到身體健康、呼吸頻率較快且肺活量較大的成年人。傳感部分需要非常靈敏，以便正確地測(cè)量病人的吸氣和呼氣以及傳遞到氣流之中的麻醉氣體。因此，就會(huì)使用2個(gè)(有時(shí)是3個(gè))氣流傳感器來(lái)測(cè)量特定的氣動(dòng)子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)者可能應(yīng)該為設(shè)備中所有重要的子系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)專用的氣流傳感器。

因?yàn)槁樽硭巹┖透邼穸燃釉谝黄饡?huì)給傳感器造成惡劣的環(huán)境，所以可以認(rèn)為呼氣電路中的差分壓力傳感器要優(yōu)于氣流傳感器。差分壓力傳感器對(duì)于濕氣、麻醉藥劑和其他材料造成的氣體介質(zhì)污染的適應(yīng)性要更強(qiáng)。在需要高壓輸送源，或者傳感器需要直接接觸濃縮氧氣或麻醉藥劑的情況下，應(yīng)使用與介質(zhì)隔離的傳感器。這時(shí)，選用與介質(zhì)隔離的不銹鋼壓力傳感器可能是最理想的，因?yàn)樗^耐用。如果需要便攜式的設(shè)備，就應(yīng)該考慮使用低功耗的氣流和壓力傳感器，這可以減小所需要的電源的尺寸，并幫助限制單元的總重量。將傳感器安裝到氣流通道的歧管處，可以幫助減小設(shè)計(jì)尺寸和重量。

另一項(xiàng)考慮因素是輸出。數(shù)字輸出，比如I2C和SPI協(xié)議，可以使傳感器的分辨率以及與微處理器的集成得以最優(yōu)化。但仍然存在著對(duì)模擬輸出的需求，主要原因是，在某些安全電路中由于整流的需求不允許軟件參與其中。用戶可能希望使用傳感器的原始輸出來(lái)觸發(fā)警報(bào)或安全狀況。同時(shí)提供數(shù)字和模擬這兩種選項(xiàng)的能力是很重要的。最后，傳感器的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于將麻醉藥劑有效地輸送給病人是至關(guān)重要的。使用現(xiàn)在的技術(shù)，麻醉機(jī)制造商能夠?qū)崿F(xiàn)1ms的響應(yīng)時(shí)間。

睡眠呼吸機(jī)

對(duì)于睡眠呼吸機(jī)而言，當(dāng)涉及到總誤差帶時(shí)，通常更令人關(guān)注的是病人的舒適和方便，而對(duì)性能要求并不苛刻。因?yàn)樗鼈兺ǔＪ桥c加濕器協(xié)同使用的，所以它們需要在較高濕度的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)并且保持穩(wěn)定的性能。它們必須要耐用，因?yàn)樗鼈兺ǔＴ诩彝キh(huán)境中被各類人士操作使用。用戶對(duì)設(shè)備的要求主要集中在精度、穩(wěn)定性、便攜性和單元尺寸/重量方面。對(duì)噪聲的要求也很重要，因?yàn)檫@種設(shè)備是在睡眠過(guò)程中使用。需要使用壓降較低的氣流傳感器，因?yàn)槿绻麎航堤撸姍C(jī)的工作強(qiáng)度就更大(壓降等于傳感器中的阻抗)，從而增加噪聲和縮短電機(jī)的使用壽命。

所以工程師應(yīng)該選擇能夠以很低的速率來(lái)感應(yīng)差分壓力或氣流的傳感器。傳感器應(yīng)該能夠測(cè)量病人呼吸的峰值，或者吸氣和呼氣之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對(duì)于較復(fù)雜的睡眠呼吸機(jī)，有時(shí)會(huì)選擇氣流傳感器而不是壓力傳感器，因?yàn)楹粑鼨C(jī)需要在低氣流水平時(shí)更為敏感。一旦確定了壓力、氣流和介質(zhì)需求，就該考慮精度和穩(wěn)定性需求，包括總誤差帶。家用睡眠呼吸機(jī)必須要耐用，因?yàn)橥庠谝蛩貢?huì)影響單元性能。

出于價(jià)格方面的考慮，通常會(huì)選擇增強(qiáng)型數(shù)字產(chǎn)品。與購(gòu)買已經(jīng)過(guò)放大的傳感器相比，在稍后添加部件來(lái)調(diào)整信號(hào)大小會(huì)更加昂貴。同時(shí)，如果這樣做的話，用于集成的時(shí)間將更短，這使得設(shè)計(jì)人員能夠更快地實(shí)現(xiàn)傳感器，并將最終設(shè)備更快地推向市場(chǎng)。根據(jù)睡眠呼吸機(jī)類型的不同，機(jī)械要求(比如尺寸、安裝和研孔)可能也會(huì)對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定影響，因?yàn)榭蛻粝Ｍ玫襟w積更小、美觀且便攜的設(shè)備?？赡苓€需考慮客戶校準(zhǔn)功能，特別是對(duì)于CPAP(持續(xù)的正向呼吸道壓力)應(yīng)用，以盡量提高產(chǎn)品性能，從而最好地匹配病人的呼吸模式。

醫(yī)院診斷設(shè)備

醫(yī)院診斷設(shè)備包括質(zhì)譜儀、色譜儀(例如，用于氣體、液體和高效液相色譜法)、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化系統(tǒng)以及分析儀，比如用于血液、血液學(xué)、免疫分析和臨床化學(xué)等用途的分析儀。在為醫(yī)院診斷設(shè)備選擇傳感器時(shí)，高分辨率、高精度和高穩(wěn)定性都是要著重考慮的關(guān)鍵因素。設(shè)備需要能夠檢測(cè)到甚至是最小的物質(zhì)量。因此，診斷設(shè)備一般都具有最高的分辨率要求，通常是16位或更高。傳感器的精度和穩(wěn)定性對(duì)于獲取精確的數(shù)據(jù)是很重要的，而精確的數(shù)據(jù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果至關(guān)重要，并會(huì)直接關(guān)系到病人的生命安危。

確定需要檢測(cè)的壓力和氣流的全部范圍和增量是需要考慮的首要因素。傳感器在醫(yī)院診斷領(lǐng)域的應(yīng)用可能還要求具有與清潔、干燥的空氣之外的其他介質(zhì)的相容性。在有些診斷設(shè)備中，從塑料或粘合劑中釋放出的氣體，盡管數(shù)量微乎其微，也會(huì)污染樣品并使測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生偏差。精度，特別是對(duì)線性和滯后誤差而言，都是很重要的。因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的靈敏度和所使用的傳感器的靈敏度有關(guān)，所以應(yīng)該盡量減小滯后作用。0.25%的精度誤差是最佳的(非線性和遲滯誤差)，而0.5%通常是允許存在的最大值。

如上所述，高分辨率是至關(guān)重要的，這就是為什么診斷和分析設(shè)備的用戶可能會(huì)選擇未經(jīng)放大的傳感器以獲取盡量多的核心/原始傳感器輸出，并自己來(lái)創(chuàng)建補(bǔ)償和放大算法的原因。一些傳感器制造商通過(guò)高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)提供帶放大的產(chǎn)品。注意，高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器并不是傳感器的分辨率——需要考慮傳感器本身的分辨率。如果傳感器的分辨率較低，那么A/D所具有的額外位數(shù)將只能提供額外的無(wú)用數(shù)據(jù)。

穩(wěn)定性是非常重要的，因?yàn)槠瓶赡軙?huì)意外地影響傳感器的讀數(shù)。如果傳感器在設(shè)備制成之后發(fā)生漂移(校準(zhǔn)在設(shè)備發(fā)運(yùn)之前完成)，結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)偏差。傳感器在制造和安裝啟用過(guò)程中，必須考慮如何防范熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的影響，因?yàn)檫@會(huì)影響到設(shè)備性能的穩(wěn)定。在醫(yī)院診斷應(yīng)用中，對(duì)于與漂移和不穩(wěn)定性有關(guān)的誤差而言，0.5%或更低是可接受的最大值。與其他醫(yī)療應(yīng)用不同的是，對(duì)于診斷設(shè)備而言，尺寸并不是特別關(guān)鍵的因素，因?yàn)樗鼈兇蠖鄶?shù)都是體積較大、不便移動(dòng)的設(shè)備，并固定擺放在實(shí)驗(yàn)室中。應(yīng)該先考慮分辨率、精度和穩(wěn)定性，其次才是物理因素，比如輸出、尺寸、安裝、研孔和電力需求。