測壓傳感器介紹及在醫(yī)療電子中的應用

　測壓傳感器基本上是可將力或重力轉化為電信號的換能器。數(shù)十年來，這種傳感器廣泛用于各行各業(yè)的測量和傳感領域。大多數(shù)測壓傳感器的核心部件是電阻應變計。該元件受到拉力或壓力時，電阻會發(fā)生變化。箔應變計是最常用的一種，由經過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蝕刻而成，或者采用真空沉積或濺射技術，通過材料的分子鍵合附著在介電層上。后一種技術通常稱為薄膜法。理想的應變計應該體積小，成本低，對于負荷方向上的應變極為靈敏，而且不受周圍環(huán)境溫度變化的影響。

??????要通過應變計測量應變，所用電路必須能夠測量微小應變帶來的微弱電阻變化。應變計換能器通常包括4個應變計元件，這些元件通過導線連接成惠斯頓電橋電路。作為應變測量的最佳選擇，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)。惠斯頓電橋也適用于溫度補償。

測壓傳感器種類及相應的測壓技術

　　一般的惠斯頓電橋電路包括4個應變計。但有些測壓傳感器可使用8、16、32甚至更多個應變計，而另一些設備則僅使用一到兩個應變計。應變計定位是否準確、安裝方式如何以及所用的材料決定了測壓傳感器的性能。換能器的模擬輸出通常需要進行信號調節(jié)、放大和數(shù)字化，以顯示力、測重、壓力、位移或所受的扭矩。

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

????? 微電機系統(tǒng)(MEMS)是該領域的最新技術。MEMS為蝕刻成梁柱形、隔膜形或板形的微型硅元件，可在測壓元件內發(fā)揮傳感器的功能。與集成電路的制造工藝類似，MEMS也是通過整體和表面微加工技術制成。MEMS可以大批量生產，因為可以在有集成電路的單晶片上加工數(shù)以千計的傳感器元件。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，但與箔應變計相比，其應用范圍仍很有限。MEMS在醫(yī)療領域最常用于那些成本低、產量大(數(shù)百萬以上)的一次性產品中，例如：一次性血壓傳感器和用于測量球囊導管壓力的血管成形裝置。

由工業(yè)進入醫(yī)療行業(yè)

????? 大多數(shù)情況下，尺寸和成本是產品從普通工業(yè)領域轉入醫(yī)療行業(yè)過程中的最大問題。產品轉化時其量程和可靠性等基本技術特點并未改變，但醫(yī)療行業(yè)一般需要測量盎司、克和毫克級的負荷，而工業(yè)環(huán)境下，負荷一般以磅、千牛頓或噸為單位。唯一例外的是理療康復器械，這種器械通常使用標準尺寸的測壓傳感器。

????? 所有醫(yī)用測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。如果傳感器用于某醫(yī)療器械集成的監(jiān)測儀器內，要使用不銹鋼和陽極化鋁等標準包裝材料。如果設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)用測壓傳感器早期曾用于力學測量等領域，如病床負重監(jiān)測。20世紀80年代早期之前，護士必須親自測量病人的體重，跟蹤明顯波動。在病床上安裝測壓傳感器后，病床可有效地將病人的準確體重傳輸?shù)绞殖质皆O備上。每張病床一般安裝4個測壓傳感器，每條床腿下一個，這些傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c相關設備或控制器連接的接線盒內。

????? 不久以后，人們將小型測壓傳感器應用到容易發(fā)生人為錯誤的領域，例如：用于給藥的輸液泵。以往，人們將液體、藥物或營養(yǎng)液裝到輸液袋中，懸掛起來，使液體通過軟管依靠重力輸入病人體內。為了盡可能精確地調節(jié)流速，人們使用了各種鉗夾方法。另外，護士還要頻繁地監(jiān)測輸液，確保輸液正確，輸液袋內液體尚未流盡，而且未發(fā)生回血。將測壓傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)引入簡易輸液設備中，省卻了主觀判斷的過程。測壓傳感器可準確測量輸液袋的重量，當液體重量于預先設定值不同時，傳感器會立即向連接的設備發(fā)出警告信息。通常，小型彎梁測壓傳感器(量程100g至1lb)?安裝在軟管下的儲液器上。傳感器可檢測輸液期間的導管重量變化，并與電子控制器進行數(shù)據(jù)通信。

????? 將測壓傳感器與以往單純的機械技術結合，可以將信息反饋給其他設備。將自動化引入許多醫(yī)療領域中，可以減少操作中的人為錯誤。測壓傳感器提供的數(shù)據(jù)被永久記錄下來，這樣也可大大改進醫(yī)療過程的跟蹤記錄，便于責任確認。

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

????? 半導體和電路設備先進的計算機自動化、 無線連接以及不斷減小的體積和不斷增強的功能，大大擴展了測壓傳感器在醫(yī)療領域的應用范圍。此前提到的輸液技術和病床負重測量方法應用仍很廣泛，但隨著集成自動化設備的使用，這些應用變得更為復雜了(見圖1)。

????? 醫(yī)用測壓傳感器目前用于各種精細的液體監(jiān)測領域中，例如：輸血、腎透析和獻血。在這些應用中，測壓傳感器可確保進入體內、排出體外或者置換的液體量正確，并且按照正確的時間、劑量或比例，開始和停止輸送，或者進行再循環(huán)。與以往的手動監(jiān)測相比，現(xiàn)在醫(yī)生和護士能夠監(jiān)測的病人數(shù)量都大大增加。

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圖1. 許多醫(yī)療領域使用了傳感器技術。

????? 腎透析：一般的腎透析設備要靠一個或多個測壓傳感器，確保過濾系統(tǒng)絕對平衡并且按時運轉。透析設備必須排出污染的血液，進行血液凈化，然后將凈化后、再氧合的血液重新回輸?shù)讲∪梭w內。任何設備故障都會造成災難性的后果。此類設備通常采用小型測壓傳感器，通過檢測懸掛輸液袋的重量，監(jiān)測透析的流速，確保整個透析過程的安全。

????? 這屬于無創(chuàng)性測量法，因為體液不直接接觸傳感器部件。透析器通常使用稱為S-beam Jr.的測壓傳感器，它具有5–10lb的量程和1000%的過載保護，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，輸液袋通過兩根軟管與透析器相連。一根導管用于液體輸入，另一根用于排出。有些透析設備使用多個輸液袋，因此需要多個測壓傳感器。每個傳感器均與可編程邏輯控制器或計算機相連，通過重量測量監(jiān)測流量。利用測壓傳感器提供的信息，透析器可自動執(zhí)行和控制透析過程，同時采集數(shù)據(jù)，必要時進一步分析。

內鏡手術：內鏡是另一個常采用測壓傳感器技術的特殊領域。在內鏡手術中，器械壓力極為關鍵，切口深度必須極為準確。測壓傳感器可監(jiān)測這些器械對組織的作用力，從而大大提高手術的準確性。

　　開發(fā)內鏡工具時，在工具前端裝上外徑約3/8英寸以下的小型紐扣式測壓傳感器，可減小工具穿刺時所需的力，改進工具設計。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過程中，封裝尺寸極小(一般為0.4mm)的MEMS傳感器被整合到工具內部，幫助醫(yī)生監(jiān)測和控制實際手術中的穿孔和穿刺力。這樣可避免用力過大，還可采集數(shù)據(jù)，必要時進一步分析。

????? 康復治療：大型測壓傳感器(2–4英寸)可用于理療設備中，監(jiān)測肌肉恢復情況。這些傳感器一般集成在手持式設備中，監(jiān)測外傷、關節(jié)炎或中風患者的康復進程。

????? 拉力設備也可通過同樣的原理監(jiān)測腿部對某物體表面的推力和牽引力。與握力或拉力設備相連的測壓傳感器可顯示受損肌肉的確切變化，以及每個療程結束后的改善情況。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，人們設計了許多不同構造的設備，但這些設備都有兩個共同點：病人對某物體施加作用力，物體與測壓傳感器相連，傳感器將測得的結果發(fā)送到數(shù)字顯示裝置或計算機上。計算機隨后將模擬信號轉變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號，以便準確、實時顯示結果。

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

????? 早產監(jiān)測：測壓傳感器還可用于監(jiān)測孕期不規(guī)則的壓力變化，預防早產缺陷。一種集成了彎梁測壓傳感器的設備可監(jiān)測這種壓力變化。該設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、測壓傳感器和調制解調器。設備檢測到壓力不規(guī)則時，可通過無線調制解調器呼叫護理中心，提醒婦產科醫(yī)生這種子宮壓力變化是否需要緊急處理。

前沿應用

圖2. 假肢中所用的傳感器可測量腳、腿、腳趾或手指的力量。

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

????? 膝關節(jié)植入物中直接使用的測壓傳感器包括植入式膝關節(jié)模擬器以及膝關節(jié)和脛骨模擬器，前者可測量髕骨植入物受到的關節(jié)作用力。該裝置可與試驗用膝關節(jié)植入物連接，測量脛骨和股骨間的負荷。對髕股關節(jié)的負荷平衡進行評估，有助于平衡各軟組織結構的負荷、對植入物進行精確定位，改善膝關節(jié)穩(wěn)定性。

????? 測壓傳感器的微型化有助于牙科研究人員和設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應變計測壓傳感器，或者每顆牙齒下均裝有傳感器的一套定制式托牙，可將相關信息傳輸?shù)綌?shù)字顯示裝置或遠程數(shù)據(jù)采集設備中。牙科技術人員可利用這些信息準確了解患者頜骨和牙齒的位置和壓力點，設計對合良好、咬合正常的齒列。

????? 扁平和多部件測壓傳感器：人工關節(jié)和機械假肢制造商從普通工業(yè)質控流程中借鑒了這種技術。髖關節(jié)和膝關節(jié)模擬器中使用了多個扁平形測壓傳感器，可同時對多個關節(jié)進行摩擦和磨損測試，確定器械的耐久性和平均無故障使用時間，以便開發(fā)出更堅固、更靈活的設備，達到終生無故障使用的目的。

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

展望

　　微型化和自動化正在從根本上改變醫(yī)用測壓傳感器的應用情況，尤其是在受惠于自動化的外科手術領域。隨著自動手術器械的日趨精密，測壓傳感器將有助于開發(fā)出更經濟高效、更精密的自動化手術技術。其中一個方法就是在這些自動機械上增加觸覺功能。各種尺寸、形狀和量程不同的測壓傳感器使這些進步得以實現(xiàn)。將來，測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，從而使自動機械具有與人類觸覺相同甚至更為出色的感知能力。該技術將拓展外科手術的應用范圍，同時降低總體成本，挽救更多生命。

　　測壓傳感器也將用于各種預防性醫(yī)療器械中。目前，人們已經利用微型測壓傳感器糾正一些不良習慣和預防損傷。簡單的做法例如將測壓傳感器安裝在高爾夫裝備袋或力量訓練設備上，避免過度提拉損傷。復雜的應用例如在自動控制假肢上使用多個微型測壓傳感器，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，及時做出反應。

　　以今天的技術發(fā)展速度，再過10年，普通的測壓傳感器將會成為各種醫(yī)療操作中新技術探索的關鍵，將目前只能想像的技術化為現(xiàn)實。