當(dāng)今醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)師的終極挑戰(zhàn)：節(jié)約空間，贏得競爭

“寧為太平犬，莫作離亂人”這句話準(zhǔn)確地描述了當(dāng)下醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)工程師們的處境，瞬息萬變的市場發(fā)展市場發(fā)展使他們面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，其中最緊迫的就是創(chuàng)造緊跟微型化設(shè)計(jì)潮流的醫(yī)療設(shè)備傳感器元件。微型化是目前從簡單的血壓監(jiān)護(hù)儀到復(fù)雜的人工心肺機(jī)幾乎所有醫(yī)療設(shè)備的主流發(fā)展趨勢。

本文重點(diǎn)闡述了開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的緊湊型傳感解決方案的設(shè)計(jì)策略——傳感解決方案是為醫(yī)療設(shè)備提供有關(guān)患者狀況或治療的真實(shí)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。接下來我們將通過幾個(gè)醫(yī)院中常見的場景，來說明設(shè)計(jì)師們是如何利用最新的傳感技術(shù)來設(shè)計(jì)外型緊湊、成本低廉、同時(shí)又具有出色性能、盈利性和安全性的醫(yī)療設(shè)備。每個(gè)案例都包含一些關(guān)于如何選擇元器件的簡單竅門，以及最適合相關(guān)應(yīng)用的產(chǎn)品范例。

圖1：輸液泵等現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備需要符合嚴(yán)格醫(yī)用材料安全標(biāo)準(zhǔn)的緊湊型傳感器

為什么結(jié)構(gòu)緊湊攜帶方便如此重要

追求外型更小巧、便攜性更高的醫(yī)療設(shè)備的浪潮幾乎影響著現(xiàn)代醫(yī)療護(hù)理的所有方面，其中患者運(yùn)送、吸氧和門急診這一類應(yīng)用受到的影響尤其顯著，因?yàn)樵O(shè)備越小巧，就越方便使用，越能及時(shí)地挽救生命。例如，質(zhì)量輕的緊湊型患者監(jiān)護(hù)儀和支持設(shè)備能夠確保醫(yī)療小組立即為患者提供高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)，使以前只能在手術(shù)室和ICU病房才能執(zhí)行的治療和護(hù)理在當(dāng)?shù)卦\所、事故現(xiàn)場救護(hù)設(shè)施甚至是救護(hù)車和醫(yī)療直升機(jī)上也能成功實(shí)施。

體積較小的呼吸器、輸液泵(圖1)和生命體征兆監(jiān)測儀同樣也能幫助醫(yī)院提高病房和ICU病房護(hù)理質(zhì)量。此外在手術(shù)室中，緊湊型監(jiān)護(hù)儀、輸液泵與抽吸設(shè)備也使術(shù)前洗擦消毒小組擁有更大空間，更輕松地接觸患者和操作監(jiān)測儀、生命支持及治療設(shè)備。

節(jié)約空間的設(shè)計(jì)還增強(qiáng)了產(chǎn)品的便攜性，允許醫(yī)護(hù)人員快速、方便地在患者之間移動設(shè)備，高度便攜的裝置能夠迅速部署到分秒必爭的急救現(xiàn)場。另外，便攜性還可使患者在住院期間更靈活的運(yùn)動，讓他們獲得更大的自主權(quán)和舒適感，這對于加速患者康復(fù)大有好處。最后，高便攜性可以幫助醫(yī)護(hù)工作管理者更高效地利用醫(yī)院的資產(chǎn)，創(chuàng)造更健康的醫(yī)護(hù)環(huán)境。

小型醫(yī)療設(shè)備的種種優(yōu)勢已經(jīng)使可靠且易于使用的健康監(jiān)測走進(jìn)了尋常百姓的家庭護(hù)理，并將在患者醫(yī)療服務(wù)從醫(yī)院向家庭轉(zhuǎn)移的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用——在私立醫(yī)療保險(xiǎn)公司和美國政府最新頒布實(shí)施的《平價(jià)醫(yī)療法案》(Affordable Care Act)的推動下，這一轉(zhuǎn)移進(jìn)程將逐步加快。因此，有遠(yuǎn)見的醫(yī)療設(shè)備制造商已經(jīng)著手開發(fā)能夠提供高質(zhì)量家庭醫(yī)療護(hù)理的新產(chǎn)品。

新傳感器選件使緊湊型設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)

但直到近期，在實(shí)現(xiàn)微型化和更高便攜性的道路上，傳感器的發(fā)展還有很大空間，這種機(jī)械/模擬元件的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上筆記本電腦、平板電腦、游戲機(jī)和其他消費(fèi)產(chǎn)品中的數(shù)字化計(jì)算、顯示和通信技術(shù)的發(fā)展。而現(xiàn)在，依托小型傳感器和最新技術(shù)，設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)可以縮小設(shè)備尺寸并降低成本。

隨著新型小巧傳感器的部署，以及廣泛的小型封裝和安裝選件的跟進(jìn)，設(shè)備微型化的進(jìn)程開始啟動。其他領(lǐng)域中，新型解決方案通過將多個(gè)傳感器元件集成到一個(gè)封裝中，幫助設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)了更大的空間節(jié)約。這一先進(jìn)的集成技術(shù)使傳感器可以布置在小型外科設(shè)備和其他應(yīng)用中，將過去的不可能變?yōu)槿缃竦默F(xiàn)實(shí)。

擁有機(jī)械接口、安裝、封裝和I/O等眾多選件的傳感器平臺賦予了醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)師空前的自由。例如，壓力傳感器提供了對配連接(端口型)、封裝(DIP、SIP、表面安裝)與輸出(模擬或數(shù)字)多種選項(xiàng)，從而能夠滿足應(yīng)用嚴(yán)格的功能、成本和空間要求(圖2)。

圖2：霍尼韋爾傳感與控制部的NBP系列基礎(chǔ)型電路板安裝型壓力傳感器可安裝在空間有限的印刷電路板上或小型設(shè)備中

電路板安裝型傳感器憑借多種優(yōu)勢，成為醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)設(shè)計(jì)中最受歡迎的空間節(jié)約組件之一。例如，在用于測量流體壓力或流量的傳感器中，電路板安裝型封裝能夠把傳感元件牢固固定在印刷電路板(PCB)上，使之盡可能靠近患者和/或液體介質(zhì)(如血液、化學(xué)物質(zhì)或水)。

這在某些應(yīng)用中尤為重要。例如血液透析機(jī)要求精準(zhǔn)測量透析液和靜脈壓力，以確保患者在治療期間安全、舒適。精確測量流體壓力和血壓，有助于消除過高壓力或過低壓力、避免血管破裂或透析管路中出現(xiàn)氣泡。對于這種類型的應(yīng)用，電路板安裝型傳感器支持極端的工作距離，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度、高精度的測量，且能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)變化(圖3)。

圖3：血液透析機(jī)要求極其精確地測量患者血壓和透析液(清除血流中的毒素)壓力

除實(shí)現(xiàn)精確測量外，電路板安裝型傳感器還支持設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)更簡單、更可靠的設(shè)計(jì)，通過自動化設(shè)備快速裝配。壓力和流量傳感器通常支持多種電路板安裝型封裝，其中大部分都提供適于不同集成端口方向的選件，在需要為連接傳感器的管路(無論何種介質(zhì))留出毫無障礙的路徑時(shí)，這些選件將發(fā)揮重要作用。 結(jié)合了傳感器端口與預(yù)集成歧管的封裝選件更能為某些應(yīng)用節(jié)省空間，它們擯棄了在傳感器/端口組件與其目標(biāo)介質(zhì)之間的管路和相關(guān)連接，形成了更簡單、更緊湊的設(shè)計(jì)。預(yù)集成的歧管安裝支持直接連接，消除了常規(guī)設(shè)計(jì)中常見的多點(diǎn)阻塞、泄漏和其他類型故障。制造商也發(fā)現(xiàn)取消優(yōu)化端口性能所需的反復(fù)試驗(yàn)后，預(yù)集成歧管能夠顯著節(jié)約項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人工成本，縮短開發(fā)周期。

多傳感器/多功能封裝

結(jié)合溫度和濕度、或溫度和壓力測量等多種功能的集成傳感器解決方案為大量醫(yī)療設(shè)備提供了眾多優(yōu)勢。多傳感器解決方案可以將兩或更多傳感器器元件組裝在一起(圖4)，也可以將單獨(dú)封裝的多個(gè)傳感器集成到一個(gè)緊湊型組件中。

圖4：HoneywellHumidIcon™ 數(shù)字式濕度/溫度傳感器是將兩種功能集成到一個(gè)小型封裝中的典型范例

多傳感器封裝還為設(shè)計(jì)工程師提供了其他眾多優(yōu)勢，包括：

· 簡化設(shè)備設(shè)計(jì)，降低制造成本

· 簡化設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程

· 減少零件和連接點(diǎn)數(shù)量(即潛在的故障源)，提高患者舒適度和安全性

· 多傳感器元件具有更高可靠性和更出色的性能，降低總擁有成本

將更多功能整合到傳感器組件中也能夠獲得類似優(yōu)勢。例如經(jīng)過完全校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償和放大的傳感器減少了PCB上的組件數(shù)量，使產(chǎn)品尺寸、重量與成本得以大幅降低。一般而言，采用了這類計(jì)就不用再增加外部組件，如補(bǔ)償和校準(zhǔn)傳感器信號的電阻器與放大器等。

預(yù)集成傳感解決方案(圖5)的最佳范例就是霍尼韋爾TruStability®系列。該系列產(chǎn)品將傳感元件與廣泛種類的端口、安裝方式、電壓與輸出(數(shù)字或模擬)集成到一起并完整補(bǔ)償、校準(zhǔn)和放大了部分變量。此外，數(shù)字接口設(shè)計(jì)消除了模擬輸出所需的外部電阻器、電容器和放大器，節(jié)省了更多空間。

圖5：除液體介質(zhì)功能選件外，霍尼韋爾TruStability® 電路板安裝型壓力傳感器還提供多種接口、安裝方式和I/O選件

許多TruStability®傳感器平臺都支持用戶進(jìn)行自由配置，以滿足特定醫(yī)療設(shè)備的特殊要求。此外，傳感器平臺的構(gòu)件從一開始便通過了嚴(yán)格驗(yàn)證，確保高品質(zhì)和可靠性。不再需要補(bǔ)償和校準(zhǔn)使設(shè)計(jì)工程師減少消耗大量資金的測試過程，甚至無需測試，從而使裝配周期更短，生產(chǎn)成本更低。

如果市場中沒有現(xiàn)成的解決方案，霍尼韋爾設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可提供具有高附加值的定制化壓力、溫度和濕度傳感產(chǎn)品，其中包括組合式傳感器、集成組件、定制接口封裝、非標(biāo)準(zhǔn)端子和溫度管理解決方案。

液體兼容性

在設(shè)計(jì)中采用兼容液體的傳感器是個(gè)復(fù)雜的話題，最好是另辟一文予以說明，所以在本文中我們僅做簡單說明，介紹其對醫(yī)療設(shè)備外形的潛在影響。很多老式醫(yī)療設(shè)備使用不兼容液體介質(zhì)的傳感器，在潮濕環(huán)境中就需要增加附加組件來進(jìn)行保護(hù)，因此導(dǎo)致設(shè)備外觀笨重，成本昂貴，同時(shí)還極大地提高了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

幸運(yùn)的是，封裝與材料技術(shù)的進(jìn)步解決了這一問題，使應(yīng)用于苛刻環(huán)境的緊湊型傳感器的問世成為可能。

在前文提及的血液透析機(jī)等應(yīng)用中，傳感器直接接觸透析液使得它能夠在過濾患者血液時(shí)及時(shí)向泵控制器發(fā)送壓力反饋?；裟犴f爾基礎(chǔ)型傳感器平臺具有多種應(yīng)用的配置，集成了適用于透析機(jī)制造商的端口選件和封裝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師藉此能夠打造高性能的緊湊型醫(yī)療設(shè)備，同時(shí)顯著降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和開發(fā)投入。

結(jié)語

如今業(yè)界風(fēng)起云涌，追逐小型化且便攜性更好的醫(yī)療設(shè)備的潮流方興未艾，在改善醫(yī)療護(hù)理質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)高效性時(shí)，傳感器將在其中發(fā)揮重要作用。如今，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是創(chuàng)造適應(yīng)當(dāng)今產(chǎn)品要求的緊湊型傳感元件。在這一過程中，一方面利用最新傳感器集成技術(shù)，一方面緊抓最高效利用這些技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)踐，就能解決許多難題。

大部分傳感器制造商目前都可以提供相當(dāng)廣泛的先進(jìn)封裝技術(shù)和預(yù)集成多傳感器元件，設(shè)計(jì)師可從中選擇需要的選件創(chuàng)造屬于自己的緊湊型傳感解決方案。包括霍尼韋爾傳感與控制公司在內(nèi)的極少數(shù)制造商因能夠預(yù)集成大量元件，所以可提供集成度更高的傳感器元件。

您可以在霍尼韋爾TruStability®系列預(yù)集成傳感器平臺上找到許多出色的集成傳感解決方案，它們提供了多種封裝選件，以及可用于集成大量無源和有源電子組件、應(yīng)用專屬I/O接口、甚至是預(yù)設(shè)計(jì)傳感器歧管的選件。除了幫助設(shè)計(jì)師成為“空間競賽”的贏家外，霍尼韋爾豐富的封裝和集成選件還可幫助他們縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和認(rèn)證周期、為用戶提供更高可靠性并降低用戶的總擁有成本。