中国国际医疗器械博览会
中国国际医疗器械设计与制造技术展览会
您当前位置: 首页 > 媒体中心 > 展商动态

深度谈医用传感器

发布时间:2018-05-29 来源: 【字号:

【版权声明】本文来源:医疗器械从业者公众号,已获原创作者授权推送,供行业朋友学习、借鉴,版权所有。如需转载,请与原作者或医疗器械从业者公众号联系授权白名单,谢谢合作。

【引言】医学的产生是伴随着传感器的产生而来的。华佗、扁鹊所代表的中医理论中的望、闻、问、切,就是运用了人类天生的传感器:触觉、听觉、视觉、自身的感觉;追求精确的西方医学更是为此研发了一套又一套的科学仪器,从传统的听筒、钳子、小锤到如今的内窥镜、ct、b超,再到如今已经应用临床的各种手术机器人,可以说医用传感器延伸了医生的感觉器官,把定性的感觉扩展为定量的检测,是医疗设备的关键器件。随着信息技术时代的到来,医用传感器作为临床医学诊断的”口舌”,在临床医学中诊断、治疗、监护和康复等各个阶段都必不可少且意义重大,成为制约高水平先进医疗设备发展的关键技术,也是每个国家都优先发展的先锋技术,可以说,医用传感器技术的每一次进步都将带来临床医学的突破性进展。

随着科学技术的日新月异,传感器在医疗领域的应用,可谓是包罗万象,应有尽有。如今年四月迅速在网络走红的电子胶囊内镜。又如挪威一家初创公司于2017年7月推出的心脏病患者可穿戴设备,就内置了一个能实时收集患者生理数据并上传至云端,在发生异常情况时迅速报警的传感器。而美国加州大学伯克利分校也于2017年7月研制出耳戴式3d打印传感器,用于测量人体核心温度。智能手表和健康及健身手环,医疗终端,云端等。近年来,针对不同疾病和创伤患者开发的传感器可谓不胜枚举,而现代的创新医疗器械产品背后,大都离不开现代的传感器功劳。

一、什么是医用传感器?

医用传感器是应用于生物医学领域的一部分传感器,是把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。它所拾取的信息是人体的生理信息,而它的输出常以电信号来表现。

人体生理信息有电信息和非电信息两大类,从分布来说有体内的(如血压等各类压力),也有体表的(如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等)。

二、传感器原理

传感器是将物理量(机械量,力学量等)的变化转化成电学量变化的一种装置。传感器一般由弹性元件,传感元件和测量电路组成。弹性元件是连接被测物体与传感元件的桥梁,是传感器的关键部件,它的结构形状,材料,加工精度,热处理工艺等都将影响传感器性能。弹性元件的加工工艺对传感器性能影响很大,一般应在粗加工之后经过热处理再进行精加工,然后进行专门的时效处理,以及为了提高弹性,减小机械滞后而进行静、动加载处理。在结构方面,要求弹性元件只受到被测物理量的作用而尽量减小其它物理量的影响。弹性元件的材料应有较高的强度和韧性,且弹性好,滞后小,疲劳极限高,有较好的淬透性。常用的材料有40crni、35crmnsia、50crmn-sia、和60si2mna等合金及弹性滞后小的铍青铜等。弹性元件的形状按受力和变形分为悬臂梁、简支梁、纯弯曲型、拉压杆、空心圆轴、圆环、园薄片和薄壁管等形状,根据不同的用途可以选用不同的形式。医用传感器是医用生物医学技术与工程技术的不断发展与结合的产物。

三、医用传感器的发展

从图1可见,医用传感器技术有两个发展方向,一个是传感器本身的研究开发,另一个是传感器与计算机,信息技术相结合的系统研究开发。其中传感器本身的研究开发又有两个分支,一个是有关传感器基础研究,即研究传感器所需要的新技术和新原理。据笔者多方数据库文献检索,最近十年来关于这方面的公开文献凤毛麟角,少之又少。据行内专业人士告知,十年前医用传感器新技术及新原理研究大潮已过了。而近几年更多的产业化,将研究成果转化为产品。医用传感器产品开发则越来越热,将传感器技术产品化在医疗器械产品领域更是日益火爆,一时间,可穿戴,人工智能ai,手术机器人等创新型医疗产品犹如雨后春笋一般层出不穷。现代医用传感器技术已经摆脱了传统医用传感器体积大,性能差等技术缺点,形成了智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测等新的发展方向。

四、医用传感器的分类

在医学领域,传感器种类繁多,目的用途各异,基于不同的分类基准,有不同的分类。一般医用传感器的分类如下:

1.按应用形式分类

植入式传感器、暂时植入体腔(或切口)式传感器、体外传感器、用于外部设备的传感器。

2.按检测种类分类

位移传感器、流量传感器、温度传感器、速度传感器、压力传感器、图像传感器、流量传感器等。对于压力传感器,包括有金属应变片压力传感器、半导体压力传感器、电容压力传感器等等所有能够检测压力的传感器。对于温度传感器,包括热敏电阻、热电偶、pn结温度传感器等所有能够检测温度的传感器。

3.按工作原理分类

(1)化学传感器

化学传感器是利用化学性质与化学效应制成的传感器。这种传感器一般是通过离子选择性敏感膜将某些化学成分、含量、浓度等非电量转换成与之有对应关系的电学量。比如说:不同种类的离子敏感电极、离子敏感场效应管、湿度传感器等。

生物医学常用的各种化学传感器测量的化学物质有:k+、na+、ca2+、cl-、o₂、co₂、nh3、h+、li+等。

(2)物理传感器

物理传感器是利用物理性质和物理效应制成的传感器。属于这种类型的传感器最多,比如说金属电阻应变式传感器、半导体压阻式传感器、压电式传感器、光电式传感器等。

(3)生物传感器

生物传感器是采用包含有生物活性物质作为分子识别系统的传感器。这个传感器一般是利用酶催化某种生化反应或者通过某种特异性的结合,检测大分子有机物质的种类及含量,就是最近半个世纪发展起来的新型传感器。比如:酶传感器,新型微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、dna传感器、视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、纳米传感器、可消化传感器、柔性传感器、可植入传感器等。生物传感器都能保持优势,并有望占据传感器最大的市场份额。

生物传感器在医学领域的应用非常广泛,如中医针灸传感针、生物芯片、医用生物传感器、葡萄糖监测、检测dna突变、疾病诊断、病毒检测、药物剂量、脑损伤检测、监测康复患者等方面。

五、医用传感器的用途有哪些?

1.在医用产品化方面的用途

医用超声波检测中应用,最常见的超声传感器;在x射线装置中的应用,广泛应用于ct,cr,dr等医疗设备中;其他的从医用设备呼吸机、血液分析仪、多参数监护仪、核磁共振仪、心脑电导联系统、心血管系统装置,到目前热门的移动互联医疗、远程医疗、人工智能ai医疗、手术机器人等,无不显示医用传感器的身影,可以预测的是现代医学领域中,传感器的应用会越来越广泛和深入。

2.在临床实践方面的用途

传感器核心的价值在于数据采集,其次就是精确度高。医用传感器是各种医疗设备的核心部分,医用传感器的应用大大降低了人工成本,并且有效降低了错误产生率,提高了疾病诊断的可靠性和精确性。医用传感器的发展已经是制约高端、先进医疗设备发展的关键技术之一,同时也是促进医学发展的主要动力之一。在临床医学方面的主要应用有以下几个方面:

(1)提供诊断用生物体信息:如心音、血压、脉搏、血流、呼吸、体温等信息,供临床诊断和医学研究用。如心脏手术前检测心内压力;心血管疾病的基础研究中检测血液的粘度以及血脂含量。

(2)临床监护:长时间连续测定某些参量,监视这些参数是否处于规定的范围内,以便了解病人的恢复过程,出现异常时及时报警。如病人在进行手术前后需要连续监测体温、脉搏、血压、呼吸、心电等生理参数。

(3)人体控制:利用监测到的生理参数控制人体的生理过程。例如自动呼吸器就是用传感器检测病人的呼吸信号来控制呼吸器的动作,使人与正常状态呼吸同步;又如电子假肢就是用测得的肌电信号控制人体假肢体的运动;再如体外循环的血流血压控制等。该特点在康复机器人领域应用甚广。

(4)临床检验:除直接从人体收集信息外,临床上常从各种体液(血、尿、唾液等)样品获得诊断信息。这类信息叫做生化检验信息。它是利用化学传感器和生物传感器来获取,是诊断各种疾病必不可少的依据。

六、医疗器械行业中传感器的解决方案

由于精确的监控、诊断和治疗的重要性,现代医疗设备依靠高性能传感器技术满足严苛的规格要求以及市场规定。而随着人们对利用远程和自我监测技术进行家庭医疗的需求越来越高,医疗设备、装置和探头中的电子系统利用传感器信号实现控制活动、精确诊断和治疗。传统的压力传感器,如今也有了很多的创新应用,比如尿动力测试,比如辅助婴儿分娩等。这次给医疗器械从业者朋友们分享的是医疗器械行业中最具创新代表性的血氧传感器和气泡传感器的解决方案。

1.作为医疗设备市场内领先的传感器解决方案供应商,teconnectivity(te)致力于满足多种医疗和保健应用的严格要求,提供心血管监测和诊断传感器——包括测量血氧饱和度(spo₂)和脉搏的光学传感器。血氧含量低会对包括心脏和大脑在内的细胞功能造成负担。这在严重就医情形如手术后的恢复中至关重要。te的spo₂血氧传感元件在血氧饱和度的检测中提供了一流的精度。其红光led波长公差可达660nm±2nm。这种精度是由专有的发射器,光谱匹配一个检测器来实现的。在医疗急救中,血氧饱和度水平的测量精度可能意味着生与死的区别。

teconnectivity血氧传感器

凭借久经考验的可靠性和专业知识,te设计出了具有同类领先,灵活度高的传感器,以适应多种波长选择。规模化的生产能力,可为客户提供元件或者传感器成品组件,包括一次性血氧传感器和重复性使用血氧传感器,这使te成为高精度,高耐用性和高性能脉搏血氧仪应用的绝佳选择。

技术优势:

·微型、低成本发射器以及检测器组合

·双驱动、带透明的环氧树脂透镜的影像发射器

·四种标准irled波长选项:880nm、905nm、910nm以及940nm

·响应快且效率高的检测器组件

·具有生物兼容性的传感器组合

·不含乳胶成分的一次性脉搏血氧仪传感器

·轻量化软垫设计确保患者舒适度

·可扩展、增加价值的制造-能够提供组件或完整的脉搏血氧仪传感器(可重复使用的传感器以及一次性传感器)

·易清洁的指夹式脉搏血氧仪传感器设计

teconnectivity指夹式血氧探头

对医疗器械产品开发工程师来说,在进行医疗设备开发过程中,不仅仅是对适用的医用传感器选型,更多的还会考虑医用传感器厂商的技术支持和解决方案,能帮助其实现医疗产品的预期功能和性能。

2.说到医用传感器的解决方案,不得不提及在诊断治疗领域的新品--气泡传感器。tead-101气泡传感器,检测输液管气泡,主要用于医疗与3d打印更好地检测气泡的存在情况。利用超声波技术,可以非接触地识别输液管中的气泡与液体。

ad-101气泡检测传感器

技术优势:

·检测小至热缩管内径的70%大小的气泡

·传感器可定制,以适合各种导管

·尺寸为3mm至10mm的热缩管

·非侵入式设计解决了在流体环境下如何保持无菌状态的问题

·对emi/rfi的抗干扰度高

·无需声波耦合剂

·一体式电子产品

·通电并持续进行自我诊断测试以确认功能是否正常

输液泵、血液透析及流量检测应用设备对某些重大的医疗情况至关重要,易于集成并具有卓越可靠性能的耐用传感器对系统性能起到可靠的保障与支持作用。te设计并制造全新的ad-101气泡检测传感器,它可进行持续自我诊断且装配灵活,可以使最关键的一些应用设计得以实现,让工程师在应用过程中更有信心。

七、医用传感器的基本要求

医用传感器作为传感器的一个重要分支,其设计与应用必须考虑人体因素的影响,考虑生物信号的特殊性、复杂性,考虑生物医学传感器的生物相容性、可靠性、安全性。

1、传感器本身具有良好的技术性能,如灵敏度、线性、迟滞、重复性、频率响应范围、信噪比、温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等。

2、传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖结构相适应,使用时,对被测组织的损害要小。

3、传感器对被测对象的影响要小,不会对生理活动带来负担,不干扰正常生理功能。

4、传感器要有足够的牢固性,引进到待测部位时,不致脱落、损坏。

5、传感器与人体要有足够的电绝缘,以保证人体安全。

6、传感器进入人体能适应生物体内的化学作用,与生物体内的化学成分相容,不易被腐蚀、对人体无不良刺激,并且无毒。

7、传感器进入血液中或长期埋于体内,不应引起血凝。

8、传感器应操作简单、维护方便,结构上便于消毒。

八、医用传感器的市场及国内行业面临的挑战

如今医疗传感器几乎无处不在,且仍在继续增长。据行业研究报道,2012年该市场的规模就达到了80亿美元,其中生物传感器占到了总营收的60%多。按地域划分,北美市场占42%的份额,欧洲占32%,亚洲占26%。科利登研究表示更让人欣喜,2017年一次性医疗传感器市场价值达到44.418亿美元,预计到2026年将达到8.1187亿美元,从2018年到2026年的复合年增长率为6.81%。

在国内,从事传感器的研制、生产和应用的企业超过1700家,产业门类基本齐全,传感器产品达到10大类、42小类、6000多个品种,无论是在健康医疗、城市规划,还是城市交通方面,传感器正在发挥着核心作用。据笔者检索,国内在医疗领域突出企业如无锡全能科技、西人马等,而专注医疗领域传感器的公司相对比较稀缺。国内医用传感器厂商也面临诸多挑战。

(1)创新能力有待提高:传感器在高精度、高敏感度分析、成分分析和特殊应用的高端方面与国外差距巨大,中高档传感器产品大都从国外进口,90%芯片依赖国外。国内缺乏对新原理、新器件和新材料传感器的研发和产业化能力。

(2)关键技术尚未突破:设计技术、封装技术、装备技术等方面都存在较大差距。国内尚缺乏有自主知识产权的传感器设计软件,国产传感器可靠性比国外同类产品低1-2个数量级,传感器封装尚未形成系列、标准和统一的接口。传感器工艺装备研发与生产被国外垄断。

(3)产业结构不合理:品种、规格、系列不全,技术指标不高,国内传感器产品往往形不成系列。产品在测量精度、温度特性、响应时间、稳定性、可靠性等指标与国外也有相当大的差距。

(4)企业能力弱:我国传感器企业95%以上属小型企业,规模小、研发能力较弱、规模效益差。从目前市场份额和市场竞争力指数来看,外资企业仍占据较大的优势。

九、未来医用传感器的发展趋势

传感器在医学研究与临床诊治中占据着重要地位,随着工程技术和医学科学的进步,生物医学传感器也必将得到迅速发展。当今医用传感器的研究方向:

·对各种创新型传感器的开发与研究;

·对多功能传感器的研究,他们可以被集成到一起,同时监测多路信号;

·对智能传感器的研究,它是传感器与计算机技术相结合的产物,智能传感器不仅能完成基本的传感和信号处理任务,还有自诊断、自恢复及自适应的功能。

传感器本身的开发研究有两个分支,一个是有关传感器基础的研究,即新技术和新原理的的研究,主要集中在新材料和超微细加工技术方面;另一个是新型传感器产品的开发,重点解决光技术的应用,微电子封装技术和一次性芯片等。

目前热门的研究课题有多功能精密陶瓷材料在传感器中的应用、生物功能性物质在传感器开发中的利用,微细加工技术制造超小型传感器的研究等。

此外,发展化学传感器和生物传感器是传感器技术发展的另一趋势,尤其在生物医学领域的更具实用性,有利于促进医学基础研究、临床诊断和环境医学的发展。

在国际上,医用传感器的五个关键发展方向介绍如下:

(1)超低功耗传感器

英国剑桥大学工程学院研发出超低功耗晶体管,以此为基础器件,能够通过捕获其周围环境中的能量,无需电池即可工作数月甚至数年,这种晶体管适用“泄漏”的微小电流维持工作,即近关断状态电流。这种泄漏就像从一个坏水龙头中不断滴答出的水滴,是所有晶体管的特性,但是首次被有效地捕获和利用。

该晶体管的主要优势是:能够在非常低的温度制造;能够印刷在任何材料表面,从玻璃和塑料到聚酯和纸张;晶体管尺寸可继续缩小;可提供同样的高增益或信号放大能力;工作电压小于1v,功耗小于10亿分之一瓦(1nw)。主要应用领域为可穿戴器件和植入式器件中超低功耗传感器接口和模拟信号电路带来新的设计模型,很好地满足健康监控等应用所需可穿戴或可植入式电子设备需求。

(2)利用3d打印技术打印传感器

美国一研究学院公报称,其研究小组开发出一种新的3d打印技术,可打印具有集成传感器功能的器官芯片,他们将柔性应变传感器与人体组织微架构集成,并开发出6种不同的“油墨”,然后利用3d打印技术,通过一种单一、连续的制造过程,打印出心脏芯片。这个芯片上有众多“小井”,每个“小井”中有独立的组织和集成传感器。利用这种芯片,能够研究多种心脏组织。

(3)智能尘埃

智能尘埃是一种能够以无线方式传递信息的微型电子机械传感器(mems)

,可以在几毫米宽度范围内进行温度、振动、湿度、化学成分、磁场等参数的测量。这种传感器功耗极低,由一种全新系统和无线电频率通讯组成。

(4)自供能传感器

新的能量收集技术可以将周围环境的能量(人体)运动、环境振动、光能、热能、射频以及生化过程等)收集起来转化为电能,传感器不再需要外界功能。目前能量收集技术在医疗传感器已经得到应用,比如供电技术中的皮肤贴片发电机以及鱼鳞能量收集器。

(5)人体电子化

从可穿戴、柔性材料、到长期植入式、3d打印、了消化传感器等技术,都在试图进行更好的人体融合,以便更好实现实时获取人体数据。创新传感器与人体组织的深度结合,将我们身体的一部分进行电子化。这种概念现在多见于假肢、器官替代物等应用,这些代替器械可以让肢体或感官重获功能,甚至于恢复至正常水平。除了仿生的假肢,预计已有3-5万人体内植有rfid芯片。人们的四肢、视觉或听觉的能力将借助这类技术被增强。除了设计柔性传感器,植入嵌入传感器、生物传感器、纳米传感器相关技术等,还涉及诸如智能人工器官、仿生传感器、脑分子监测等概念的前沿领域。frost&sullivan将人体电子化作为2025十大医疗课件趋势之一。

【版权声明】本文与图已获原创作者授权推送,供行业朋友学习、借鉴,版权所有。如需转载,可后台留言联系授权白名单,谢谢合作。

【本文参考文献】

1.《医用传感器》姜远海主编

2.《医用传感器的发展》王明时,高伟,李宁,孙伟

3.《传感器在医学检测中的应用简介》作者:张茜

4.《传感器在医学领域的应用研究》作者:封淑玲

5.《医用压力传感器原理及其应用》作者:谢东

6.《小信号医用传感器的设计及应用》作者:赵均海,孙家驹

7.《浅谈传感器在医学领域中的应用》作者:陈劲松,程文波

9.《医疗智能传感器行业研究》崇樾资本

10.《创新传感器在医疗健康领域的应用》蛋壳研究院,微信号:vbresearch2016

11.《适用于医疗设备应用的压阻式力传感器的优势》作者seangough

12.teconnectivity官网有关医用传感器产品的技术资料。

 

 

相关新闻: