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【醫(yī)用傳感器設(shè)計要項】
時間:2019-10-30

 醫(yī)用傳感器設(shè)計演變

隨著互連醫(yī)療行業(yè)的不斷發(fā)展,傳感器技術(shù)設(shè)計也進行了演變,以滿足嚴苛的需求。了解有關(guān)非接觸式醫(yī)療應(yīng)用的五個注意事項,并查看關(guān)鍵趨勢。

隨著全新個人設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備開發(fā)的建立,傳感器技術(shù)不斷演變,以滿足日益增長的互連醫(yī)療行業(yè)的嚴苛需求。 隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 等趨勢以及數(shù)據(jù)分析和人工智能等新增技術(shù)的出現(xiàn),傳感器對于收集準確數(shù)據(jù)變得更加重要。為收集這些關(guān)鍵數(shù)據(jù),可使用侵入式和非侵入式傳感器技術(shù)。侵入式傳感器可用于在手術(shù)過程中監(jiān)控動脈血壓,通過導管組件中的微型熱電偶測量溫度以及其他應(yīng)用。這些傳感器對兼容性和封裝有專門要求,通常采用小型一次性封裝。非侵入式和非接觸式傳感器技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛,并且設(shè)計時同時考慮了機械和電氣兩個方面,可支持醫(yī)療設(shè)備和器械的增長。本文將介紹針對非接觸式醫(yī)療應(yīng)用的傳感器設(shè)計注意事項,并回顧需記住的關(guān)鍵趨勢。

 

一、耐受性

設(shè)備的耐受性(或耐用性)是首先需要考慮的一個重要概念。用于測量溫度、振動和位置等特性的傳感元件小而精密。例如,熱電堆傳感器由一組精準的小型熱敏電阻組成,用于測量其可測范圍內(nèi)的溫度。這些傳感器的封裝方式可以保護傳感元件免受外部環(huán)境的影響。這在通風設(shè)備等應(yīng)用中至關(guān)重要,其中熱電堆用于測量表面溫度,空氣流量傳感器測量氣流溫度以針對環(huán)境變化進行補償,并為裝配的其他傳感器提供溫度測量基線。傳感元件采用不銹鋼外殼封裝,處于全密封狀態(tài),可防止外部環(huán)境(如潮濕和其他惡劣因素)對其造成影響。

 

同樣,可通過用于位置感測的非接觸式測量,將傳感器封裝在組件中。由于各向異性磁阻 (AMR) 位移傳感器可封裝和密封在設(shè)備內(nèi),同時還能測量組件外的磁化量程,因而對它的需求有所增加。假體關(guān)節(jié)是個有趣的例子。在這項應(yīng)用中,AMR 傳感器可測量關(guān)節(jié)(如膝蓋或踝關(guān)節(jié))的旋轉(zhuǎn),從而對動作進行補償,形成更自然的步態(tài)模式。由于傳感器封裝在膝蓋組件內(nèi),因此可保護其免受水、沖擊和一般磨損等環(huán)境條件的影響。因此,傳感器和運動肢體之間可獨立旋轉(zhuǎn),無需物理接觸。

將傳感器和處理電路封裝在密封的組件中還可解決消毒問題。醫(yī)療應(yīng)用中的消毒可通過多種方式完成,包括使用蒸汽或暴露于環(huán)氧乙烷中。通過將傳感器封裝在設(shè)備中,可為其提供元件級別的極端溫度或濕度保護。用于動作控制的非接觸式傳感器可安裝在組件中,并且傳感器浸沒在非導電液壓油中。這進一步使傳感器嵌入組件內(nèi),而不暴露外部元件。可穿戴設(shè)備也可能暴露于日常生活中的汗液和氯化水中。雖然這兩種元素看似無害,但如果保護不當,電子設(shè)備和傳感器可能遇到腐蝕問題或電氣短路。為了防止這些情況,可在傳感設(shè)備上使用專用涂層,同時仍可確保其檢測和測量的準確性。

 

二、小型化

小型化是傳感器行業(yè)需要考慮的另一個主要趨勢,旨在縮小傳感器在產(chǎn)品內(nèi)占用的空間2018 年,TE Connectivity 針對與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計相關(guān)的各種主題設(shè)計并進行了一項工程師調(diào)查。我們收到了 180 名工程師的回復,他們表示對消費者、工業(yè)和汽車物聯(lián)網(wǎng)感興趣。該調(diào)查探討了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和設(shè)計方法,然后發(fā)現(xiàn)了該領(lǐng)域存在的共同挑戰(zhàn)。關(guān)于小型化,85% 的調(diào)查參與者一致同意這應(yīng)該是一個關(guān)注焦點。與此同時,15% 的調(diào)查參與者認為傳感器小型化已經(jīng)達到了所需程度。傳感器小型化不僅限于醫(yī)療市場,其重要性日益增加。

隨著可穿戴互聯(lián)設(shè)備的增加,構(gòu)建輕型、緊湊的設(shè)計變得非常必要。雖然手表、胸部心率監(jiān)視器和其他飾品類設(shè)備在監(jiān)視健康因素方面的準確性各不相同,但它們提供的信息比過去更多。隨著消費者對健康生活的關(guān)注日益增長,擁有更精確數(shù)據(jù)的驅(qū)動力促進了傳感器需求的增長,并且需要將更多的傳感器安裝到相同大小的包裝中。

 

除健康生活可穿戴設(shè)備外,小型傳感器還可內(nèi)置于電動機械假肢中。手指的力度和控制是一項一絲不茍的技巧,要求進行精確測量。在考慮力量測量時,握持一顆葡萄和將其碾碎的力量差異很大,因此,它需要手指的準確數(shù)據(jù)才能執(zhí)行這看似簡單的任務(wù)。在指關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)點處應(yīng)用磁傳感器和應(yīng)變片,可實現(xiàn)精確的無接觸控制和所需動作。
 

三、數(shù)字信號處理

較高的準確性是選擇醫(yī)療應(yīng)用傳感器的重要目標,這使得數(shù)字傳感器因其精確、穩(wěn)定的輸出成為了更理想的選擇。例如,數(shù)字熱電堆溫度傳感器可實現(xiàn) 100°C 溫度范圍的高精度讀數(shù),誤差為 ±1°C。這些傳感器經(jīng)過定制后,可在極其嚴苛的環(huán)境下進行更廣泛的應(yīng)用,能在 300°C 時提供高精度(誤差為 ±4.5°C)。盡管模擬產(chǎn)品通常較便宜,但數(shù)字傳感器因其設(shè)備和結(jié)構(gòu),無需購買其他電子元件(包括低偏移/低噪聲放大器和相關(guān)濾波器)。當與數(shù)字輸出同時封裝時,某些傳感器技術(shù)可以傳達來自同一設(shè)備的多個輸出信號,因此無需使用整體平臺并省去了電路板的空間。

 

在上面提到的同一調(diào)查中,25% 的參與者表示需要降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電流消耗。如果實現(xiàn)了這一點,將降低網(wǎng)絡(luò)的整體功耗,從而減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫ΑMㄟ^采用數(shù)字信號處理,傳感器可以設(shè)計用于更多以消費者為主的醫(yī)療設(shè)備。這將實現(xiàn)更低的電流消耗,在不使用時能夠休眠并以較低電源電壓運行,可支持使用較小的板載蓄電池。
四、 
數(shù)字信號和可擴展性

數(shù)字信號處理對可擴展性至關(guān)重要,并且,這也是另一項基本注意事項。現(xiàn)代電子設(shè)備需要對傳統(tǒng)的模擬輸出信號進行一定程度的轉(zhuǎn)換才能讀取和處理數(shù)據(jù)。然而,板載數(shù)字信號處理減少了系統(tǒng)或設(shè)備生產(chǎn)過程中的校準時間,從而提供了精確度。由于傳感器生產(chǎn)商的校準設(shè)備旨在測試傳感器并對其質(zhì)檢,因此 OEM 需要進行少量投資以復制系統(tǒng)要求,從而管理從模擬到數(shù)字的信號處理。此外,傳感器生產(chǎn)商還可根據(jù)客戶要求定制機械工具、傳感器編程和校準,以實現(xiàn)即插即用設(shè)計。

 

五、SMT 技術(shù)和可擴展性

根據(jù)美國醫(yī)院聯(lián)合會的統(tǒng)計,2017 5,000 多家美國注冊醫(yī)院接診了 3,500 萬名以上的入院患者。雖然美國的醫(yī)療行業(yè)正在轉(zhuǎn)向減少就診次數(shù)、住院人數(shù)和住院次數(shù),但對患者支持和監(jiān)控設(shè)備的需求仍和以往一樣。因此,設(shè)計用于可擴展自動化生產(chǎn)的傳感器成為了醫(yī)療行業(yè)滿足需求的理想方案。

 

傳感器的表面貼裝技術(shù)使設(shè)計工程師能夠?qū)鞲衅髑度虢M件的電子元件中。光電傳感器提供傳統(tǒng)的引線框架設(shè)計,手動焊入組件,現(xiàn)可封裝用于 SMT 設(shè)計。可回流焊接封裝使工程師能夠?qū)鞲衅骷傻酵ㄟ^取放機器嵌入的組件中,從而提高整體質(zhì)量,同時減少了制造時間和成本。AMR 傳感器具有垂直或水平安裝的靈活性,也可用于 SMT 封裝。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計,這可在確保傳感器能夠裝入系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用,并為磁體放置提供更大的靈活性。
 

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