【亚博游戏官网】测压传感器介绍及在医疗电子中的应用

本文摘要:测压传感器基本上是可将力或重力转化成为电信号的换能器。数十年来,这种传感器普遍用作各行各业的测量和传感领域。大多数测压传感器的核心部件是电阻应变计。 该元件受到拉力或压力时,电阻不会发生变化。箔应变计是最常用的一种,由经过热处理的超薄金属箔片做成。该箔片可以在介电薄层上化学转印而出,或者使用真空沉积或喷发物技术,通过材料的分子键合吸附在介电层上。 后一种技术一般来说称作薄膜法。

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测压传感器基本上是可将力或重力转化成为电信号的换能器。数十年来,这种传感器普遍用作各行各业的测量和传感领域。大多数测压传感器的核心部件是电阻应变计。

该元件受到拉力或压力时,电阻不会发生变化。箔应变计是最常用的一种,由经过热处理的超薄金属箔片做成。该箔片可以在介电薄层上化学转印而出,或者使用真空沉积或喷发物技术,通过材料的分子键合吸附在介电层上。

后一种技术一般来说称作薄膜法。理想的应变计应当体积小,成本低,对于负荷方向上的突发事件十分灵敏,而且不不受周围环境温度变化的影响。

要通过应变计测量突发事件,所用电路必需需要测量微小突发事件带给的黯淡电阻变化。应变计换能器一般来说还包括4个应变计元件,这些元件通过导线连接成惠斯顿电桥电路。

作为突发事件测量的最佳自由选择,这种电路为四脚并联分离式电桥电路,它可测量电阻变化引发的电流转变。其输入电压以单位输出电压下的毫伏数回应(mV/V)。

惠斯顿电桥也限于于温度补偿。测压传感器种类及适当的测压技术  一般的惠斯顿电桥电路还包括4个应变计。但有些测压传感器可用于8、16、32甚至更加多个应变计,而另一些设备则仅有用于一到两个应变计。

应变计定位否精确、加装方式如何以及所用的材料要求了测压传感器的性能。换能器的模拟输出一般来说必须展开信号调节、缩放和数字化,以表明力、测重、压力、偏移或蒙受的扭矩。箔应变计具备一些显著的优点,例如:体积较小,具备多种测量模式和温度补偿功能。这种应变计生产成本低,加装方式灵活性,既可加装在平缓、倾斜或有槽的表面,也可加装在内孔的表面,因而合适各种创新性的设计拒绝,这是目前应用于尤为普遍的自由选择。

微电机系统(MEMS)是该领域的近期技术。MEMS为转印成梁柱形、隔膜形或板形的微型硅元件,可在测压元件内充分发挥传感器的功能。与集成电路的生产工艺类似于,MEMS也是通过整体和表面微加工技术做成。MEMS可以大批量生产,因为可以在有集成电路的单晶片上加工数以千计的传感器元件。

尽管这种传感器需要以极低的成本(较低至几美元)大批量生产,但与箔应变计比起,其应用于范围仍很受限。MEMS在医疗领域最常用于那些成本低、产量大(数百万以上)的重复使用产品中,例如:重复使用血压传感器和用作测量球囊导管压力的血管成形装置。

由工业转入医疗行业大多数情况下,尺寸和成本是产品从普通工业领域转至医疗行业过程中的仅次于问题。产品转化成时其量程和可靠性等基本技术特点未转变,但医疗行业一般必须测量盎司、克和毫克级的负荷,而工业环境下,负荷一般以磅、千牛顿或吨为单位。

唯一值得注意的是理疗康复器械,这种器械一般来说用于标准尺寸的测压传感器。所有医用测压传感器都必需高度准确并灵活纸盒,以便轻巧不易携同,尤其是器械要与病人必要相连时。

如果传感器用作某医疗器械构建的监测仪器内,要用于不锈钢和阳极化铝等标准包装材料。如果设备与人体或液体必要认识,则可用于可高压蒸汽消毒的特种不锈钢或重复使用传感器。医用测压传感器早期曾用作力学测量等领域,如病床跑步监测。20世纪80年代早期之前,护士必需特地测量病人的体重,追踪显著波动。

在病床上加装测压传感器后,病床可有效地将病人的精确体重传输到手持式设备上。每张病床一般加装4个测压传感器,每条床腿下一个,这些传感器将数据传输到与涉及设备或控制器相连的接线盒内。不久以后,人们将小型测压传感器应用于到更容易再次发生人为错误的领域,例如:用作给药的输液泵。以往,人们将液体、药物或营养液装有到输液袋中,挂一起,使液体通过软管依赖重力输出病人体内。

为了尽量准确地调节流速,人们用于了各种钳夹方法。另外,护士还要频密地监测输液,保证输液准确,输液袋内液体仍未流尽,而且并未再次发生回血。

将测压传感器和监测系统引进简陋输液设备中,省去了主观辨别的过程。测压传感器可精确测量输液袋的重量,当液体重量于预先设定值不同时,传感器不会立刻向相连的设备收到警告信息。一般来说,小型弯梁测压传感器(量程100g至1lb)加装在软管下的储液器上。

传感器可检测输液期间的导管重量变化,并与电子控制器展开数据通信。将测压传感器与以往全然的机械技术融合,可以将信息反馈给其他设备。将自动化引进许多医疗领域中,可以增加操作者中的人为错误。

测压传感器获取的数据被永久记录下来,这样也可大大改良医疗过程的追踪记录,便于责任证实。应用于实例  现在,理疗器械的测压传感器直径仅有34英寸,大于的还将近半英寸。

量程从几毫克到几百磅,不受测压传感器尺寸的影响。即使大于的测压传感器也具备与较小传感器完全相同的量程、精度和重复性。

传感器尺寸小到一定程度时,显然不会容许其量程,但多数医疗应用于都不必须中用大型测压传感器的重量量程。半导体和电路设备先进设备的计算机自动化、无线连接以及大大增大的体积和大大强化的功能,大大拓展了测压传感器在医疗领域的应用于范围。此前提及的输液技术和病床跑步测量方法应用于仍很普遍,但随着集成自动化设备的用于,这些应用于显得更加简单了(闻图1)。医用测压传感器目前用作各种细致的液体监测领域中,例如:器官移植、肾透析和捐血。

在这些应用于中,测压传感器可保证转入体内、排泄体外或者移位的液体量准确,并且按照准确的时间、剂量或比例,开始和暂停运送,或者展开再循环。与以往的手动监测比起,现在医生和护士需要监测的病人数量都大大增加。图1.许多医疗领域用于了传感器技术。

肾透析:一般的肾透析设备要靠一个或多个测压传感器,保证过滤器系统意味著均衡并且如期运转。血液透析设备必需排泄污染的血液,展开血液净化,然后将净化后、再行氧合的血液新的返输到病人体内。任何设备故障都会导致灾难性的后果。

此类设备一般来说使用小型测压传感器,通过检测挂输液袋的重量,监测血液透析的流速,保证整个血液透析过程的安全性。这归属于无创性测量法,因为体液不必要认识传感器部件。透析器一般来说用于称作S-beamJr.的测压传感器,它具备510lb的量程和1000%的短路维护,与1元硬币大小相似。这种传感器相连在挂输液袋的末端,输液袋通过两根软管与透析器连接。

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一根导管用作液体输出,另一根用作排泄。有些血液透析设备用于多个输液袋,因此必须多个测压传感器。

每个传感器皆与可编程逻辑控制器或计算机连接,通过重量测量监测流量。利用测压传感器获取的信息,透析器可自动继续执行和掌控血液透析过程,同时收集数据,适当时更进一步分析。

  内镜手术:内镜是另一个经常使用测压传感器技术的类似领域。在内镜手术中,器械压力十分关键,切口深度必需十分精确。测压传感器可监测这些器械对的组织的作用力,从而大大提高手术的准确性。

  研发内镜工具时,在工具前端装有上外径大约3/8英寸以下的小型纽扣式测压传感器,可增大工具放血时所须要的力,改良工具设计。传感器量程为50100lb,可将必需的力从以前的75lb减少至约25lb以下。

力的增大回应医生只需用于较小的力,病人遭到的疼痛也较重。在这些工具的最后生产过程中,PCB尺寸大于(一般为0.4mm)的MEMS传感器被统合到工具内部,协助医生监测和掌控实际手术中的穿孔和放血力。这样可避免用力过大,还可收集数据,适当时更进一步分析。

康复化疗:大型测压传感器(24英寸)可用作理疗设备中,监测肌肉完全恢复情况。这些传感器一般构建在手持式设备中,监测外伤、关节炎或中风患者的康复进程。拉力设备也可通过某种程度的原理监测腿部对某物体表面的发动机和牵引力。

与握力或拉力设备连接的测压传感器可表明损毁肌肉的清楚变化,以及每个疗程完结后的提高情况。这样,理疗师就能根据病人的必须制订适合的化疗种类。这些传感器直径为1至4英寸,量程为501000lb。

为此,人们设计了许多有所不同结构的设备,但这些设备都有两个共同点:病人对某物体产生作用力,物体与测压传感器连接,传感器将测出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改变为数字信号,以便精确、动态表明结果。矫形外科:将近于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连接。当使用者走路姿势准确、需要保持平衡时,测压传感器可启动无线电设备,播出音乐。

如果患者步态不准确,身体不均衡,无线电设备不会暂停播出音乐,这样才可纠正错误的步态和行驶方式。监测MRI运动:为了掌控或监测磁共振光学(MRI)期间病人的运动,可用于类似的握式测压传感器,监测病人运动和力量波动。监测结果还可提醒病人否意识丧失。

研发可用作MRI环境中的类似、非磁性测压传感器,必须用于类似的生产工艺和材料。早产监测:测压传感器还可用作监测孕期点状的压力变化,防治早产缺失。一种构建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构成,可卷曲在胎儿妇女的腹部。

腰带上装有微处理器控制器、测压传感器和调制解调器。设备检测到压力点状时,可通过无线调制解调器调用护理中心,警告妇产科医生这种子宫压力变化否必须应急处置。前沿应用于图2.假肢中所用的传感器可测量脚、腿、脚趾或手指的力量。  微型测压传感器:测压传感器可通过各种方式用作膝关节和髋关节移位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,自定义钳夹式软组织测压传感器可精确测量伸膝装置的术中作用力。

人造髌韧带等植入物研发时,用作研发的定制式测压传感器,也可用作植入物内,测量韧带的拉力(闻图2)。膝关节植入物中必要用于的测压传感器还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相连,测量胫骨和股骨间的负荷。对髌股关节的负荷均衡展开评估,有助均衡各软组织结构的负荷、对植入物展开精确定位,提高膝关节稳定性。

测压传感器的微型化有助牙科研究人员和设备制造商确认各种条件下各颗牙齿的变形力度。这样,研究人员就能改良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,或者每颗牙齿下皆装有传感器的一套以定制式托牙,可将涉及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精确理解患者颌骨和牙齿的方位和压力点,设计对合较好、变形长时间的齿列。

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糅合了这种技术。髋关节和膝关节模拟器中用于了多个扁平形测压传感器,可同时对多个关节展开摩擦和磨损测试,确认器械的耐久性和平均值无故障用于时间,以便研发出更牢固、更加灵活性的设备,超过终生无故障用于的目的。  杆端测压传感器:假肢在协助残疾人移动中起着了十分最重要的起到。

但是,由于没肌肉和神经系统,许多功能都很有限。制造商正在用于类似的杆端测压传感器对力展开监测和表明,研究如何将这些数据传输到病人的脑内,从而创建一个闭环控制系统。未来发展  微型化和自动化正在彻底转变医用测压传感器的应用于情况,特别是在是在受益于自动化的外科手术领域。随着自动手术器械的日益仪器,测压传感器将有助研发出更经济高效、更加仪器的自动化手术技术。

其中一个方法就是在这些自动机械上减少触觉功能。各种尺寸、形状和量程有所不同的测压传感器使这些变革以求构建。将来,测压传感器将逐步微型化和智能化,并具备互换性和通信功能,从而使自动机械具备与人类触觉完全相同甚至更加出众的感官能力。

该技术将扩展外科手术的应用于范围,同时减少总体成本,挽回更加多生命。  测压传感器也将用作各种预防性医疗器械中。

目前,人们早已利用微型测压传感器缺失一些不良习惯和防治受损。非常简单的作法例如将测压传感器加装在高尔夫装备袋或力量训练设备上,防止过度哥特人受损。简单的应用于例如在自动控制假肢上用于多个微型测压传感器,使患者的脚趾和手指需要感官压力,并将数据传输给大脑,及时作出反应。

  以今天的技术发展速度,再过10年,普通的测压传感器将不会沦为各种医疗操作者中新技术探寻的关键,将目前不能想象的技术化作现实。


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