由于這次新型冠狀病毒確診患者常見(jiàn)癥狀主要表現為呼吸道感染、發(fā)熱、咳嗽、呼吸急促或者呼吸困難。以下幾種傳感器在本次疫情管控中發(fā)揮主要作用。

 

1、紅外傳感器技術(shù)在體溫篩查中的應用

 

從目前各種癥狀來(lái)看，雖然“發(fā)熱”不是判斷感染肺炎的唯一指標（有些輕度病例并不發(fā)熱，但發(fā)熱一定是重癥），但在沒(méi)有完全精準有效的方法前，體溫檢測就成為判斷是否感染的關(guān)鍵指標。這樣一來(lái)，面對公共場(chǎng)所龐大的流動(dòng)人口，還要在移動(dòng)狀態(tài)下快速、準確、及時(shí)檢測并篩查出非正常體溫就至關(guān)重要。當然，這對于非接觸式的紅外測溫儀來(lái)說(shuō)，已不是困難的問(wèn)題，不論是立式紅外測溫儀，還是手持耳溫槍、額溫槍等紅外檢測設備，都能準確達到精度要求。在此類(lèi)設備中，主要發(fā)揮功效的就是能達到醫用計量標準和參數指標要求的高精度、高可靠和高穩定性、一致性的紅外溫度傳感器。

 

紅外測溫儀是由光學(xué)系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。人體的紅外輻射的熱像信號，經(jīng)過(guò)光學(xué)接收器傳輸給調制器，在消除大面積的背景干擾信號后，將紅外輻射的熱像信號轉變成電信號，再經(jīng)過(guò)放大器和信號處理，并按照儀器內設的算法和目標發(fā)射率校正后，最終轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，紅外傳感器在接收到物體發(fā)出的能量后，通過(guò)其光學(xué)系統將紅外能量轉換成電信號，通過(guò)模型算法及參數校準，將其轉換為醫用級的高精度溫度值。

 

相對于其他類(lèi)型的測溫方式，紅外測溫方式的優(yōu)勢在于快速、直觀(guān)、非接觸檢測。

 

2、壓力、流量、溫濕度等傳感器在呼吸機系統中的應用

 

目前，呼吸機是眼下患者最需要的醫療設備，改善呼吸是重要治療手段。由于病毒感染后，呼吸困難是危重病人的典型癥狀，而呼吸機能使肺泡在呼氣末保持一定壓力，增加功能殘氣量，防止肺泡萎陷，從而改變通氣和換氣功能，實(shí)現對病人進(jìn)行輔助呼吸治療的目的。

 

持續正壓通氣（CPAP）的呼吸機裝置，可強迫空氣進(jìn)入肺部，在整個(gè)呼吸周期內人為施加一定程度的氣道內正壓。如果病人出現呼吸暫停，CPAP呼吸機可根據預設的頻率進(jìn)行必要的機械通氣。這就需要呼吸機中設計安裝多個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)、持續、精確地控制氣流、壓力和濕度，保持患者持續呼吸功能。因此，呼吸設備都會(huì )用到氣體質(zhì)量流量、壓力、濕度、溫度和磁等傳感器，監測和控制氣流、壓力、溫濕度等指標，同時(shí)支持和保障穩定的電機控制系統運行。

 

（1）空氣流量傳感器

 

主要用于測量進(jìn)入系統的氧氣的流量，以確保充足的空氣供應。通過(guò)判斷患者睡眠時(shí)的呼吸節奏，根據呼吸速度快慢，通過(guò)進(jìn)氣泵控制，調節通氣量大小與速度，使患者呼吸和進(jìn)氣頻率保持一致，以提供肺部足夠的氧濃度。

 

（2）壓力傳感器

 

在呼吸機運行系統中，檢測病患呼吸壓力的變化和振動(dòng)（如打鼾）至關(guān)重要。病人呼氣期間的二氧化碳水平，也可通過(guò)差壓傳感器進(jìn)行測量計算。比如，呼吸機通過(guò)使用差壓傳感器可測量2英寸水柱壓力差，更好地獲取患者二氧化碳輸出量，以調節輸入壓力大小。

 

具體來(lái)說(shuō)，壓力傳感器可將氣道壓力轉化為差動(dòng)信號，并將測量值交給電路MCU準確做出吸氣和呼氣判斷。之后，由MCU發(fā)出指令控制進(jìn)氣泵，增大或者減小管道壓強。使患者呼吸自然順暢，且不會(huì )產(chǎn)生抵觸感。

 

（3）溫、濕度傳感器

 

溫、濕度傳感器主要用于測量和調節通氣管中空氣的溫濕度，提供舒適的暖濕氣流，避免患者因吸入干燥和過(guò)高過(guò)低溫度空氣而導致嗓子疼，影響呼吸與睡眠質(zhì)量。當氣流中需要加濕氣時(shí)，濕度傳感器給出相對應的反饋信息，控制器根據數據信息進(jìn)行濕度精準調節，確保氣流的濕度范圍。同時(shí)，在氣流通路中，直接安裝分立式熱敏電阻，以檢測氣流溫度?；蛘卟捎脺囟忍綔y組件來(lái)定位熱敏電阻元件在待測介質(zhì)中的位置，并保護熱敏電阻免受損壞。探測組件還能保持熱氣流直接、均勻地流過(guò)熱敏電阻，從而準確感應溫度。 

 

（4）磁傳感器

 

為使呼吸機電機順暢運轉，呼吸機還會(huì )通過(guò)風(fēng)機系統來(lái)冷卻電機組件。采用磁傳感器感知呼吸機中電機運行參數，如霍爾磁元件來(lái)支持穩定的電機控制，保持電機平穩運轉，以減少由風(fēng)機系統產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)。

 

3、氣體傳感器在醫療器械中的應用

 

重癥患者其動(dòng)脈血液中的氧含量高低是醫生用于檢測和評價(jià)生命體特征的重要指標。

 

目前，最常用的醫用氧傳感器是電化學(xué)式，俗稱(chēng)氧電池。氧氣進(jìn)入傳感器后，內部所含的鉛（Pb）逐漸被氧化成PbO2，其壽命只能1年左右。作為創(chuàng )新型替代產(chǎn)品，一種順磁原理的氧氣傳感器逐步開(kāi)始使用。其工藝較復雜，價(jià)格較高，但壽命長(cháng)，是非消耗品，可長(cháng)期使用不用更換。

 

此外，若通過(guò)夾帶式可穿戴設備進(jìn)行血氧飽和度監測，可避免采血抽樣,實(shí)驗室手工分析等繁雜過(guò)程，是實(shí)現動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)信息獲取與監測的有效方法，即可以保障病情判斷的準確性、及時(shí)性，以及血氧動(dòng)態(tài)變化的連續性。伴隨氧傳感器同時(shí)使用的還有醫用二氧化碳傳感器，疫情防控中的應用場(chǎng)合更為普遍。包括呼吸機、救護氧艙、麻醉劑、嬰兒培養箱、ICU病房以及住院隔離區環(huán)境監測等等。

 

作為無(wú)創(chuàng )性、快速、廉價(jià)的檢查手段，氣體傳感器在醫學(xué)診療過(guò)程的應用更為重要和普遍。例如測量幽門(mén)螺旋桿菌（Hp）。Hp可引起多種胃病，包括淺表性胃炎、胃潰瘍、十二指腸潰瘍、非潰瘍性消化不良，嚴重到胃癌。通過(guò)呼氣排放中檢測出ppb級別的二氧化碳濃度，即可判斷是否存在Hp感染以及感染量化程度等等都是通過(guò)氣體傳感器來(lái)完成的。 

 

除此之外，疑似患者甄別試紙、試劑數據、醫療可穿戴產(chǎn)品、大小型制氧機、醫用機器人、護理機器人等等。以及各種實(shí)驗、化驗檢測；醫療器械與監控設備，智能化醫院環(huán)境與裝備設施，甚至是生產(chǎn)醫療相關(guān)產(chǎn)品的自動(dòng)化、智能化、數據信息化過(guò)程無(wú)疑大量使用了各種不同結構類(lèi)型的傳感器，傳感器在醫療中的應用更是數不勝數，舉不勝舉。

 

總之，作為數據采集的唯一功能器件和信息化基礎產(chǎn)品，傳感器可量化精準地獲取人體血糖、血脂、血氧、血壓、心動(dòng)、腦電、皮電、體溫等等所有反映健康體征的生理參數指標。在本次疫情中，乃至醫療行業(yè)應用可謂是無(wú)處不在。人們期待著(zhù)通過(guò)疫情防控呈現出的不同場(chǎng)景和突出問(wèn)題，給相關(guān)企業(yè)提供相關(guān)技術(shù)信息和創(chuàng )新思路，使得業(yè)內企業(yè)以此為契機，通過(guò)跨界的融合與協(xié)同，不斷創(chuàng )新出更多的生物醫學(xué)傳感器，以滿(mǎn)足國家對應急突發(fā)事件預警檢測和防控監測的及時(shí)性需求。

 

本文轉自中國電子報，作者郭源生系中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長(cháng)。

 

 

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