測(cè)壓傳感器介紹及在醫(yī)療電子中的應(yīng)用

測(cè)壓傳感器介紹及在醫(yī)療電子中的應(yīng)用

　測(cè)壓傳感器基本上是可將力或重力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的換能器。數(shù)十年來(lái)，這種傳感器廣泛用于各行各業(yè)的測(cè)量和傳感領(lǐng)域。大多數(shù)測(cè)壓傳感器的核心部件是電阻應(yīng)變計(jì)。該元件受到拉力或壓力時(shí)，電阻會(huì)發(fā)生變化。箔應(yīng)變計(jì)是最常用的一種，由經(jīng)過(guò)熱處理的超薄金屬箔片制成。該箔片可以在介電薄層上化學(xué)蝕刻而成，或者采用真空沉積或?yàn)R射技術(shù)，通過(guò)材料的分子鍵合附著在介電層上。后一種技術(shù)通常稱為薄膜法。理想的應(yīng)變計(jì)應(yīng)該體積小，成本低，對(duì)于負(fù)荷方向上的應(yīng)變極為靈敏，而且不受周圍環(huán)境溫度變化的影響。

??????要通過(guò)應(yīng)變計(jì)測(cè)量應(yīng)變，所用電路必須能夠測(cè)量微小應(yīng)變帶來(lái)的微弱電阻變化。應(yīng)變計(jì)換能器通常包括4個(gè)應(yīng)變計(jì)元件，這些元件通過(guò)導(dǎo)線連接成惠斯頓電橋電路。作為應(yīng)變測(cè)量的最佳選擇，這種電路為四腳并聯(lián)分離式電橋電路，它可測(cè)量電阻變化引起的電流改變。其輸出電壓以單位輸入電壓下的毫伏數(shù)表示(mV/V)?；菟诡D電橋也適用于溫度補(bǔ)償。

測(cè)壓傳感器種類及相應(yīng)的測(cè)壓技術(shù)

　　一般的惠斯頓電橋電路包括4個(gè)應(yīng)變計(jì)。但有些測(cè)壓傳感器可使用8、16、32甚至更多個(gè)應(yīng)變計(jì)，而另一些設(shè)備則僅使用一到兩個(gè)應(yīng)變計(jì)。應(yīng)變計(jì)定位是否準(zhǔn)確、安裝方式如何以及所用的材料決定了測(cè)壓傳感器的性能。換能器的模擬輸出通常需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)、放大和數(shù)字化，以顯示力、測(cè)重、壓力、位移或所受的扭矩。

????? 箔應(yīng)變計(jì)具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如：體積較小，具有多種測(cè)量模式和溫度補(bǔ)償功能。這種應(yīng)變計(jì)生產(chǎn)成本低，安裝方式靈活，既可安裝在平坦、彎曲或有槽的表面，也可安裝在內(nèi)孔的表面，因而適合各種創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)要求，這是目前應(yīng)用最為廣泛的選擇。

????? 微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)是該領(lǐng)域的最新技術(shù)。MEMS為蝕刻成梁柱形、隔膜形或板形的微型硅元件，可在測(cè)壓元件內(nèi)發(fā)揮傳感器的功能。與集成電路的制造工藝類似，MEMS也是通過(guò)整體和表面微加工技術(shù)制成。MEMS可以大批量生產(chǎn)，因?yàn)榭梢栽谟屑呻娐返膯尉霞庸?shù)以千計(jì)的傳感器元件。盡管這種傳感器能夠以極低的成本（低至幾美元）大批量生產(chǎn)，但與箔應(yīng)變計(jì)相比，其應(yīng)用范圍仍很有限。MEMS在醫(yī)療領(lǐng)域最常用于那些成本低、產(chǎn)量大(數(shù)百萬(wàn)以上)的一次性產(chǎn)品中，例如：一次性血壓傳感器和用于測(cè)量球囊導(dǎo)管壓力的血管成形裝置。

由工業(yè)進(jìn)入醫(yī)療行業(yè)

????? 大多數(shù)情況下，尺寸和成本是產(chǎn)品從普通工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)入醫(yī)療行業(yè)過(guò)程中的最大問(wèn)題。產(chǎn)品轉(zhuǎn)化時(shí)其量程和可靠性等基本技術(shù)特點(diǎn)并未改變，但醫(yī)療行業(yè)一般需要測(cè)量盎司、克和毫克級(jí)的負(fù)荷，而工業(yè)環(huán)境下，負(fù)荷一般以磅、千牛頓或噸為單位。唯一例外的是理療康復(fù)器械，這種器械通常使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的測(cè)壓傳感器。

????? 所有醫(yī)用測(cè)壓傳感器都必須高度精確并緊湊包裝，以便輕便易攜，特別是器械要與病人直接連接時(shí)。如果傳感器用于某醫(yī)療器械集成的監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)，要使用不銹鋼和陽(yáng)極化鋁等標(biāo)準(zhǔn)包裝材料。如果設(shè)備與人體或液體直接接觸，則可使用可高壓蒸汽滅菌的特種不銹鋼或一次性傳感器。

????? 醫(yī)用測(cè)壓傳感器早期曾用于力學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域，如病床負(fù)重監(jiān)測(cè)。20世紀(jì)80年代早期之前，護(hù)士必須親自測(cè)量病人的體重，跟蹤明顯波動(dòng)。在病床上安裝測(cè)壓傳感器后，病床可有效地將病人的準(zhǔn)確體重傳輸?shù)绞殖质皆O(shè)備上。每張病床一般安裝4個(gè)測(cè)壓傳感器，每條床腿下一個(gè)，這些傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c相關(guān)設(shè)備或控制器連接的接線盒內(nèi)。

????? 不久以后，人們將小型測(cè)壓傳感器應(yīng)用到容易發(fā)生人為錯(cuò)誤的領(lǐng)域，例如：用于給藥的輸液泵。以往，人們將液體、藥物或營(yíng)養(yǎng)液裝到輸液袋中，懸掛起來(lái)，使液體通過(guò)軟管依靠重力輸入病人體內(nèi)。為了盡可能精確地調(diào)節(jié)流速，人們使用了各種鉗夾方法。另外，護(hù)士還要頻繁地監(jiān)測(cè)輸液，確保輸液正確，輸液袋內(nèi)液體尚未流盡，而且未發(fā)生回血。將測(cè)壓傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入簡(jiǎn)易輸液設(shè)備中，省卻了主觀判斷的過(guò)程。測(cè)壓傳感器可準(zhǔn)確測(cè)量輸液袋的重量，當(dāng)液體重量于預(yù)先設(shè)定值不同時(shí)，傳感器會(huì)立即向連接的設(shè)備發(fā)出警告信息。通常，小型彎梁測(cè)壓傳感器(量程100g至1lb)?安裝在軟管下的儲(chǔ)液器上。傳感器可檢測(cè)輸液期間的導(dǎo)管重量變化，并與電子控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

????? 將測(cè)壓傳感器與以往單純的機(jī)械技術(shù)結(jié)合，可以將信息反饋給其他設(shè)備。將自動(dòng)化引入許多醫(yī)療領(lǐng)域中，可以減少操作中的人為錯(cuò)誤。測(cè)壓傳感器提供的數(shù)據(jù)被永久記錄下來(lái)，這樣也可大大改進(jìn)醫(yī)療過(guò)程的跟蹤記錄，便于責(zé)任確認(rèn)。

現(xiàn)在，理療器械的測(cè)壓傳感器直徑僅3–4英寸，最小的還不到半英寸。量程從幾毫克到幾百磅，不受測(cè)壓傳感器尺寸的影響。即使最小的測(cè)壓傳感器也具有與較大傳感器相同的量程、精度和重復(fù)性。傳感器尺寸小到一定程度時(shí)，確實(shí)會(huì)限制其量程，但多數(shù)醫(yī)療應(yīng)用都不需要用到大型測(cè)壓傳感器的重量量程。

????? 半導(dǎo)體和電路設(shè)備先進(jìn)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化、 無(wú)線連接以及不斷減小的體積和不斷增強(qiáng)的功能，大大擴(kuò)展了測(cè)壓傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。此前提到的輸液技術(shù)和病床負(fù)重測(cè)量方法應(yīng)用仍很廣泛，但隨著集成自動(dòng)化設(shè)備的使用，這些應(yīng)用變得更為復(fù)雜了(見圖1)。

????? 醫(yī)用測(cè)壓傳感器目前用于各種精細(xì)的液體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，例如：輸血、腎透析和獻(xiàn)血。在這些應(yīng)用中，測(cè)壓傳感器可確保進(jìn)入體內(nèi)、排出體外或者置換的液體量正確，并且按照正確的時(shí)間、劑量或比例，開始和停止輸送，或者進(jìn)行再循環(huán)。與以往的手動(dòng)監(jiān)測(cè)相比，現(xiàn)在醫(yī)生和護(hù)士能夠監(jiān)測(cè)的病人數(shù)量都大大增加。

?

圖1. 許多醫(yī)療領(lǐng)域使用了傳感器技術(shù)。

????? 腎透析：一般的腎透析設(shè)備要靠一個(gè)或多個(gè)測(cè)壓傳感器，確保過(guò)濾系統(tǒng)絕對(duì)平衡并且按時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。透析設(shè)備必須排出污染的血液，進(jìn)行血液凈化，然后將凈化后、再氧合的血液重新回輸?shù)讲∪梭w內(nèi)。任何設(shè)備故障都會(huì)造成災(zāi)難性的后果。此類設(shè)備通常采用小型測(cè)壓傳感器，通過(guò)檢測(cè)懸掛輸液袋的重量，監(jiān)測(cè)透析的流速，確保整個(gè)透析過(guò)程的安全。

????? 這屬于無(wú)創(chuàng)性測(cè)量法，因?yàn)轶w液不直接接觸傳感器部件。透析器通常使用稱為S-beam Jr.的測(cè)壓傳感器，它具有5–10lb的量程和1000%的過(guò)載保護(hù)，與1元硬幣大小接近。這種傳感器連接在懸掛輸液袋的末端，輸液袋通過(guò)兩根軟管與透析器相連。一根導(dǎo)管用于液體輸入，另一根用于排出。有些透析設(shè)備使用多個(gè)輸液袋，因此需要多個(gè)測(cè)壓傳感器。每個(gè)傳感器均與可編程邏輯控制器或計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)重量測(cè)量監(jiān)測(cè)流量。利用測(cè)壓傳感器提供的信息，透析器可自動(dòng)執(zhí)行和控制透析過(guò)程，同時(shí)采集數(shù)據(jù)，必要時(shí)進(jìn)一步分析。

內(nèi)鏡手術(shù)：內(nèi)鏡是另一個(gè)常采用測(cè)壓傳感器技術(shù)的特殊領(lǐng)域。在內(nèi)鏡手術(shù)中，器械壓力極為關(guān)鍵，切口深度必須極為準(zhǔn)確。測(cè)壓傳感器可監(jiān)測(cè)這些器械對(duì)組織的作用力，從而大大提高手術(shù)的準(zhǔn)確性。

　　開發(fā)內(nèi)鏡工具時(shí)，在工具前端裝上外徑約3/8英寸以下的小型紐扣式測(cè)壓傳感器，可減小工具穿刺時(shí)所需的力，改進(jìn)工具設(shè)計(jì)。傳感器量程為50–100lb，可將所需的力從以前的75lb降低至約25lb以下。力的減小表示醫(yī)生只需使用較小的力，病人遭受的疼痛也較輕。

????? 在這些工具的最終生產(chǎn)過(guò)程中，封裝尺寸極小(一般為0.4mm)的MEMS傳感器被整合到工具內(nèi)部，幫助醫(yī)生監(jiān)測(cè)和控制實(shí)際手術(shù)中的穿孔和穿刺力。這樣可避免用力過(guò)大，還可采集數(shù)據(jù)，必要時(shí)進(jìn)一步分析。

????? 康復(fù)治療：大型測(cè)壓傳感器(2–4英寸)可用于理療設(shè)備中，監(jiān)測(cè)肌肉恢復(fù)情況。這些傳感器一般集成在手持式設(shè)備中，監(jiān)測(cè)外傷、關(guān)節(jié)炎或中風(fēng)患者的康復(fù)進(jìn)程。

????? 拉力設(shè)備也可通過(guò)同樣的原理監(jiān)測(cè)腿部對(duì)某物體表面的推力和牽引力。與握力或拉力設(shè)備相連的測(cè)壓傳感器可顯示受損肌肉的確切變化，以及每個(gè)療程結(jié)束后的改善情況。這樣，理療師就能根據(jù)病人的需要制定合適的治療種類。這些傳感器直徑為1至4英寸，量程為50–1000lb。為此，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多不同構(gòu)造的設(shè)備，但這些設(shè)備都有兩個(gè)共同點(diǎn)：病人對(duì)某物體施加作用力，物體與測(cè)壓傳感器相連，傳感器將測(cè)得的結(jié)果發(fā)送到數(shù)字顯示裝置或計(jì)算機(jī)上。計(jì)算機(jī)隨后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)，以便準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)顯示結(jié)果。

????? 矯形外科：將極小型平板式或紐扣式測(cè)壓傳感器植入鞋跟內(nèi)，并與頭戴式無(wú)線電設(shè)備相連。當(dāng)使用者走路姿勢(shì)正確、能夠保持平衡時(shí)，測(cè)壓傳感器可啟動(dòng)無(wú)線電設(shè)備，播放音樂(lè)。如果患者步態(tài)不正確，身體不平衡，無(wú)線電設(shè)備會(huì)停止播放音樂(lè)，這樣即可糾正錯(cuò)誤的步態(tài)和行走方式。
監(jiān)測(cè)MRI運(yùn)動(dòng)：為了控制或監(jiān)測(cè)磁共振成像(MRI)期間病人的運(yùn)動(dòng)，可使用特殊的手握式測(cè)壓傳感器，監(jiān)測(cè)病人運(yùn)動(dòng)和力量衰減。監(jiān)測(cè)結(jié)果還可提示病人是否意識(shí)喪失。開發(fā)可用于MRI環(huán)境中的特殊、非磁性測(cè)壓傳感器，需要使用特殊的制造工藝和材料。

????? 早產(chǎn)監(jiān)測(cè)：測(cè)壓傳感器還可用于監(jiān)測(cè)孕期不規(guī)則的壓力變化，預(yù)防早產(chǎn)缺陷。一種集成了彎梁測(cè)壓傳感器的設(shè)備可監(jiān)測(cè)這種壓力變化。該設(shè)備由一條特制腰帶組成，可纏繞在妊娠婦女的腹部。腰帶上裝有微處理器控制器、測(cè)壓傳感器和調(diào)制解調(diào)器。設(shè)備檢測(cè)到壓力不規(guī)則時(shí)，可通過(guò)無(wú)線調(diào)制解調(diào)器呼叫護(hù)理中心，提醒婦產(chǎn)科醫(yī)生這種子宮壓力變化是否需要緊急處理。

前沿應(yīng)用

圖2. 假肢中所用的傳感器可測(cè)量腳、腿、腳趾或手指的力量。

微型測(cè)壓傳感器：測(cè)壓傳感器可通過(guò)各種方式用于膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換的研發(fā)和手術(shù)過(guò)程中。在手術(shù)過(guò)程中，可通過(guò)小型的定制式S形剪切梁測(cè)壓傳感器，測(cè)量肌腱和韌帶的扭力。此外，定制鉗夾式軟組織測(cè)壓傳感器可準(zhǔn)確測(cè)量伸膝裝置的術(shù)中作用力。人造髕韌帶等植入物開發(fā)時(shí)，用于研發(fā)的定制式測(cè)壓傳感器，也可用于植入物內(nèi)，測(cè)量韌帶的拉力(見圖2)。

????? 膝關(guān)節(jié)植入物中直接使用的測(cè)壓傳感器包括植入式膝關(guān)節(jié)模擬器以及膝關(guān)節(jié)和脛骨模擬器，前者可測(cè)量髕骨植入物受到的關(guān)節(jié)作用力。該裝置可與試驗(yàn)用膝關(guān)節(jié)植入物連接，測(cè)量脛骨和股骨間的負(fù)荷。對(duì)髕股關(guān)節(jié)的負(fù)荷平衡進(jìn)行評(píng)估，有助于平衡各軟組織結(jié)構(gòu)的負(fù)荷、對(duì)植入物進(jìn)行精確定位，改善膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。

????? 測(cè)壓傳感器的微型化有助于牙科研究人員和設(shè)備制造商確定各種條件下各顆牙齒的咬合力度。這樣，研究人員就能改進(jìn)牙科工作中所用的材料以及托牙和牙假體。一種小型的50lb應(yīng)變計(jì)測(cè)壓傳感器，或者每顆牙齒下均裝有傳感器的一套定制式托牙，可將相關(guān)信息傳輸?shù)綌?shù)字顯示裝置或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集設(shè)備中。牙科技術(shù)人員可利用這些信息準(zhǔn)確了解患者頜骨和牙齒的位置和壓力點(diǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)合良好、咬合正常的齒列。

????? 扁平和多部件測(cè)壓傳感器：人工關(guān)節(jié)和機(jī)械假肢制造商從普通工業(yè)質(zhì)控流程中借鑒了這種技術(shù)。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)模擬器中使用了多個(gè)扁平形測(cè)壓傳感器，可同時(shí)對(duì)多個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行摩擦和磨損測(cè)試，確定器械的耐久性和平均無(wú)故障使用時(shí)間，以便開發(fā)出更堅(jiān)固、更靈活的設(shè)備，達(dá)到終生無(wú)故障使用的目的。

　　桿端測(cè)壓傳感器：假肢在幫助殘疾人移動(dòng)中起到了十分重要的作用。但是，由于沒(méi)有肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)，許多功能都很受限。制造商正在使用特殊的桿端測(cè)壓傳感器對(duì)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和顯示，研究如何將這些數(shù)據(jù)傳送到病人的腦內(nèi)，從而建立一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

展望

　　微型化和自動(dòng)化正在從根本上改變醫(yī)用測(cè)壓傳感器的應(yīng)用情況，尤其是在受惠于自動(dòng)化的外科手術(shù)領(lǐng)域。隨著自動(dòng)手術(shù)器械的日趨精密，測(cè)壓傳感器將有助于開發(fā)出更經(jīng)濟(jì)高效、更精密的自動(dòng)化手術(shù)技術(shù)。其中一個(gè)方法就是在這些自動(dòng)機(jī)械上增加觸覺(jué)功能。各種尺寸、形狀和量程不同的測(cè)壓傳感器使這些進(jìn)步得以實(shí)現(xiàn)。將來(lái)，測(cè)壓傳感器將逐步微型化和智能化，并具有互換性和通信功能，從而使自動(dòng)機(jī)械具有與人類觸覺(jué)相同甚至更為出色的感知能力。該技術(shù)將拓展外科手術(shù)的應(yīng)用范圍，同時(shí)降低總體成本，挽救更多生命。

　　測(cè)壓傳感器也將用于各種預(yù)防性醫(yī)療器械中。目前，人們已經(jīng)利用微型測(cè)壓傳感器糾正一些不良習(xí)慣和預(yù)防損傷。簡(jiǎn)單的做法例如將測(cè)壓傳感器安裝在高爾夫裝備袋或力量訓(xùn)練設(shè)備上，避免過(guò)度提拉損傷。復(fù)雜的應(yīng)用例如在自動(dòng)控制假肢上使用多個(gè)微型測(cè)壓傳感器，使患者的腳趾和手指能夠感知壓力，并將數(shù)據(jù)傳輸給大腦，及時(shí)做出反應(yīng)。

　　以今天的技術(shù)發(fā)展速度，再過(guò)10年，普通的測(cè)壓傳感器將會(huì)成為各種醫(yī)療操作中新技術(shù)探索的關(guān)鍵，將目前只能想像的技術(shù)化為現(xiàn)實(shí)。