醫(yī)療設備中氣流和硅基壓力傳感器的應用

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

麻醉機

麻醉機中使用的藥劑為設備帶來了獨特的挑戰(zhàn)。這些化學物質通常粘度較大，可能會在設備內部產生堆積。在制造此類設備時，必須考慮到這種因素，并采取相應恢復性措施。因為醫(yī)療設備對于病人而言非常重要，所以要選擇一個能夠在設備的整個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，又能長期保持性能穩(wěn)定的傳感器，就能確保傳感器在醫(yī)療設備的整個使用壽命期間正常使用。如果選擇了正確的傳感器，完全可以實現10年的傳感器生命周期。

工程師應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，就會使用2個(有時是3個)氣流傳感器來測量特定的氣動子系統(tǒng)。設計者可能應該為設備中所有重要的子系統(tǒng)設定一個專用的氣流傳感器。

因為麻醉藥劑和高濕度加在一起會給傳感器造成惡劣的環(huán)境，所以可以認為呼氣電路中的差分壓力傳感器要優(yōu)于氣流傳感器。差分壓力傳感器對于濕氣、麻醉藥劑和其他材料造成的氣體介質污染的適應性要更強。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，應使用與介質隔離的傳感器。這時，選用與介質隔離的不銹鋼壓力傳感器可能是最理想的，因為它較耐用。如果需要便攜式的設備，就應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，可以幫助減小設計尺寸和重量。

另一項考慮因素是輸出。數字輸出，比如I2C和SPI協議，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觸發(fā)警報或安全狀況。同時提供數字和模擬這兩種選項的能力是很重要的。最后，傳感器的響應時間對于將麻醉藥劑有效地輸送給病人是至關重要的。使用現在的技術，麻醉機制造商能夠實現1ms的響應時間。

睡眠呼吸機

對于睡眠呼吸機而言，當涉及到總誤差帶時，通常更令人關注的是病人的舒適和方便，而對性能要求并不苛刻。因為它們通常是與加濕器協同使用的，所以它們需要在較高濕度的條件下運轉并且保持穩(wěn)定的性能。它們必須要耐用，因為它們通常在家庭環(huán)境中被各類人士操作使用。用戶對設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。對噪聲的要求也很重要，因為這種設備是在睡眠過程中使用。需要使用壓降較低的氣流傳感器，因為如果壓降太高，電機的工作強度就更大(壓降等于傳感器中的阻抗)，從而增加噪聲和縮短電機的使用壽命。

所以工程師應該選擇能夠以很低的速率來感應差分壓力或氣流的傳感器。傳感器應該能夠測量病人呼吸的峰值，或者吸氣和呼氣之間的轉折點。對于較復雜的睡眠呼吸機，有時會選擇氣流傳感器而不是壓力傳感器，因為呼吸機需要在低氣流水平時更為敏感。一旦確定了壓力、氣流和介質需求，就該考慮精度和穩(wěn)定性需求，包括總誤差帶。家用睡眠呼吸機必須要耐用，因為外在因素會影響單元性能。

出于價格方面的考慮，通常會選擇增強型數字產品。與購買已經過放大的傳感器相比，在稍后添加部件來調整信號大小會更加昂貴。同時，如果這樣做的話，用于集成的時間將更短，這使得設計人員能夠更快地實現傳感器，并將最終設備更快地推向市場。根據睡眠呼吸機類型的不同，機械要求(比如尺寸、安裝和研孔)可能也會對設備的設計帶來一定影響，因為客戶希望得到體積更小、美觀且便攜的設備。可能還需考慮客戶校準功能，特別是對于CPAP(持續(xù)的正向呼吸道壓力)應用，以盡量提高產品性能，從而最好地匹配病人的呼吸模式。

醫(yī)院診斷設備

醫(yī)院診斷設備包括質譜儀、色譜儀(例如，用于氣體、液體和高效液相色譜法)、實驗室自動化系統(tǒng)以及分析儀，比如用于血液、血液學、免疫分析和臨床化學等用途的分析儀。在為醫(yī)院診斷設備選擇傳感器時，高分辨率、高精度和高穩(wěn)定性都是要著重考慮的關鍵因素。設備需要能夠檢測到甚至是最小的物質量。因此，診斷設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)定性對于獲取精確的數據是很重要的，而精確的數據對于實驗室檢測結果至關重要，并會直接關系到病人的生命安危。

確定需要檢測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)院診斷領域的應用可能還要求具有與清潔、干燥的空氣之外的其他介質的相容性。在有些診斷設備中，從塑料或粘合劑中釋放出的氣體，盡管數量微乎其微，也會污染樣品并使測試結果產生偏差。精度，特別是對線性和滯后誤差而言，都是很重要的。因為整個系統(tǒng)的靈敏度和所使用的傳感器的靈敏度有關，所以應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，高分辨率是至關重要的，這就是為什么診斷和分析設備的用戶可能會選擇未經放大的傳感器以獲取盡量多的核心/原始傳感器輸出，并自己來創(chuàng)建補償和放大算法的原因。一些傳感器制造商通過高分辨率的A/D轉換器來提供帶放大的產品。注意，高分辨率A/D轉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所具有的額外位數將只能提供額外的無用數據。

穩(wěn)定性是非常重要的，因為漂移可能會意外地影響傳感器的讀數。如果傳感器在設備制成之后發(fā)生漂移(校準在設備發(fā)運之前完成)，結果就會出現偏差。傳感器在制造和安裝啟用過程中，必須考慮如何防范熱應力和機械應力的影響，因為這會影響到設備性能的穩(wěn)定。在醫(yī)院診斷應用中，對于與漂移和不穩(wěn)定性有關的誤差而言，0.5%或更低是可接受的最大值。與其他醫(yī)療應用不同的是，對于診斷設備而言，尺寸并不是特別關鍵的因素，因為它們大多數都是體積較大、不便移動的設備，并固定擺放在實驗室中。應該先考慮分辨率、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。