测压传感器介绍及在医疗电子中的应用

 行业新闻     |      2021-11-01 07:00
本文摘要:测压元件基本上是可以把力和重力转换成电信号的换能器。几十年来,这种传感器普遍用作各行业的测量和传感领域。 许多称重传感器的核心部件是电阻应变计。即使对该元件施加拉伸力和压力,电阻也不会变化。 箔应变计是最常用的,由热处理过的超薄金属箔片制成。该箔可以化学转印到电介质薄层上,也可以利用真空蒸镀或喷出物技术,通过材料的分子结合吸附在电介质层上。后者的技术一般被称为薄膜法。 理想的应变计体积小,成本低,对负荷方向的突发事件非常敏感,而且不受周围环境温度变化的影响。

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测压元件基本上是可以把力和重力转换成电信号的换能器。几十年来,这种传感器普遍用作各行业的测量和传感领域。

许多称重传感器的核心部件是电阻应变计。即使对该元件施加拉伸力和压力,电阻也不会变化。

箔应变计是最常用的,由热处理过的超薄金属箔片制成。该箔可以化学转印到电介质薄层上,也可以利用真空蒸镀或喷出物技术,通过材料的分子结合吸附在电介质层上。后者的技术一般被称为薄膜法。

理想的应变计体积小,成本低,对负荷方向的突发事件非常敏感,而且不受周围环境温度变化的影响。为了用应变计测量突发事件,使用的电路需要测量微小突发事件引起的暗电阻变化。应变计换能器一般包括四个应变计元件,这些元件经由导线连接到惠斯登电桥电路。

作为突发事件测量的最佳自由选择,该电路是四脚并联分离型电桥电路,可以测量电阻变化引起的电流迁移。其输入电压为单位输出电压下的毫伏数响应(mV/V )。威斯顿桥也仅限于温度补偿。惠斯登电桥电路,如称重传感器的种类和适当的称重技术还包括四个应变计。

但是,有些仪器可以用于8、16、32以上的应变计,有些仪器只能用于1~2个应变计。应变片的定位是否正确,加装方式是否正确,以及使用的材料要求称重传感器的性能。换能器的模拟输出一般必须展开信号调整、缩放、数字化,以表示力、重量测量、压力、偏移或施加的转矩。箔应变计具有体积小、具备多种测量模式和温度补偿功能等几个显着优点。

该应变计生产成本低,具有加装方式的灵活性,可以加装在平缓、倾斜或有槽的表面上,也可以加装在内孔的表面上,因此适合各种创新的拒绝设计,这目前特别适用于普遍的自由选择。微电机系统(MEMS )是这一领域的最新技术。

MEMS是转录成梁柱形、隔膜形或板状的微型硅元件,在测力传感器内充分发挥传感器的功能。与集成电路的生产工艺相似,MEMS也是用整体和表面微细加工技术制作的。MEMS可以在有集成电路的单芯片上加工成千上万的传感器元件,因此可以大量生产。

这种传感器需要以极低的成本(从低价到几美元)大量生产,但与箔应变计相比,适用范围有限。MEMS在医疗领域最常用,被用作血压传感器的再利用和测量球囊导管压力的血管形成装置。

在从工业转移到医疗行业的大多数情况下,尺寸和成本在产品从一般工业领域转移到医疗行业的过程中仅次于问题。产品转换时,其量程和可靠性等基本技术特征没有改变,医疗行业一般要测量盎司、克和毫克级的负荷,但在工业环境中,负荷一般是磅、千牛顿或吨单位。唯一值得注意的是理疗康复器械,该仪器一般用于标准尺寸的称重传感器。

所有的医疗测力传感器都需要高精度、灵活的纸盒,以减轻重量,不易携带。特别是设备需要与患者连接的情况。如果传感器用于由某医疗设备构建的监视器设备内,则用于不锈钢和阳极化铝等标准包装材料。

设备需要识别为人体或液体时,可用于可高压蒸汽消毒的特殊不锈钢或再利用传感器。医疗用称重传感器早期用于力学测量等领域,如病床行走监测。

直到20世纪80年代初,护士必须特意测量患者的体重,跟踪其显著的变动。在床上安装称重传感器后,床可以有效地将患者的准确体重传递到手持设备。每个床通常安装四个称重传感器,每条腿接下来,这些传感器将数据传输到与相关设备和控制器连接的端子箱。

不久,小型测压元件被应用于作为给药的输液泵使用等更容易再次发生人为错误的领域。以往,在输液包中加入液体、药物或营养液,相乘,将液体通过软管输出到依赖于重力的患者体内。为了尽可能正确地调节流速,采用了各种钳子方法。另外,护士频繁监视输液,保证输液正确,输液包内的液体还没有流动,没有再次发生返血。

通过将测压元件和监测系统导入简陋的输液设备,可以省去主观判别的麻烦。称重传感器可以正确测量输液包的重量,当液体重量与预先设定的值不同时,传感器不会立即向连接的设备发送警告信息。通常,软管下的蓄能器上安装有小型梁称重传感器(量程100g到1lb )。

传感器可以检测输液中导管重量的变化,与电子控制器展开数据通信。可以将称重传感器与传统的完全机械技术融合,并将信息反馈给其他设备。

在许多医疗领域引入自动化可以增加工人的人为错误。由于称重传感器获取的数据是永久记录的,因此医疗过程的跟踪记录也大大改进,便于确认责任。

适用于实例的现在理疗仪器的测压元件的直径只有34英寸,大的还接近半英寸。量程从几毫克到几百磅,不受称重传感器尺寸的影响。即使是大测压元件,也具有与小传感器完全相同的量程、精度、再现性。

显然,如果传感器尺寸在某种程度上很小,那种量程是不允许的,但许多医疗适用于不需要使用大型称重传感器的重量量程。半导体和电路设备先进设备的计算机自动化、无线连接以及大幅增大的体积和大幅增强的功能,大大扩大了称重传感器在医疗领域的应用范围。迄今为止提到的输液技术和病床行走测量方法的应用依然很普遍,但随着综合自动化设备的利用,这些应用变得更简单了(温图1 )。

医疗测压元件现在被用于器官移植、肾透析、献血等各种精细的液体监测领域。在这些应用中,测压元件可以保证进入体内、排泄到体外、位移的液体量正确,以正确的时间、剂量或比例,开始运输,暂停、展开再循环。与以往的手动监视相比,现在需要医生和护士监视的患者数量大幅增加。

图1 .许多医疗领域被用于传感器技术。肾透析:一般肾透析设备要依靠一个或多个测压元件,保证过滤器系统的意义平衡,按计划运行。

血液透析装置需要排泄被污染的血液,展开血液净化,净化后,将进行了氧合的血液重新返回患者体内。任何设备的故障都会造成灾难性的后果。这种设备一般使用小型称重传感器,通过检测挂输液包的重量,监测血液透析的流速,保证血液透析过程整体的安全性。这是无创伤性测量法,因为体液不需要识别传感器部件。

透析器一般用于被称为S-beamJr .的测压元件,具有510lb的量程和1000%的短路维护,和1元硬币一样大。该传感器与挂有输液包的末端连接,输液包经由两根软管与透析器连接。一根导管用作液体的输出,另一根用作排泄。有些血液透析装置用于多个输液包,因此需要多个测压元件。

各传感器与可编程逻辑控制器或电脑连接,通过重量测量监视流量。利用测压元件取得的信息,透析器可以自动继续执行和控制血液透析过程,同时收集数据,根据需要进行进一步分析。内窥镜手术:内窥镜是另一个经常使用称重传感器技术的类似领域。在内窥镜手术中,器械的压力非常重要,切口的深度必须非常准确。

测压元件可以监视这些器械对组织的作用力,大大提高手术的正确性。开发内窥镜工具时,通过在工具前端安装上外径约3/8英寸以下的小型按钮式测力传感器,可以增大工具放血所需的力,改良工具设计。传感器范围为50100lb,可以将所需的力从以往的75lb减少到约25lb以下。

力量的增大只是医生用于小力量,患者受到的疼痛也很重。在这些工具的最终生产过程中,PCB尺寸(一般大于0.4mm )的MEMS传感器集成在工具内部,协助医生监视和控制实际手术中的穿孔和放血力。这样可以防止力量太强,收集数据,根据需要进一步分析。康复化疗:大型测压元件(24英寸)可用于理疗设备,监测肌肉的完全恢复情况。

这些传感器一般构建在手持设备上,监测外伤、关节炎或脑卒中患者的康复过程。拉伸设备也可以用一定的原理监视腿部对某个物体表面的发动机和牵引力。

与握力和拉伸设备连接的测压元件可以显示破坏肌肉的明显变化和疗程结束后的提高。由此,理疗师可以根据患者的需要制作适当的化疗种类。

这些传感器的直径是1到4英寸,量程是501000lb。因此,人们设计了许多不同结构的设备,但这些设备有两个共同点:患者给某个物体力量,物体与测压元件连接,传感器将测定的结果发送给数字显示装置或计算机。然后,计算机将模拟信号变更为数字信号,正确且动态地显示结果。

整形外科:小型平面型或接近按钮型测力传感器的嵌入鞋跟,连接头部佩戴型无线机器。使用者步行姿势正确,需要保持平衡时,测压元件可以启动无线设备,播放音乐。如果患者步态不正确,身体不均衡,无线设备不暂停音乐广播,可以纠正错误的步态和跑步方式。MRI运动的监测:为了控制或监测MRI期间患者的运动,可以用于类似的握持式测压元件,监测患者的运动和力量的变动。

监测结果也可以警告患者有无意识丧失。开发出可以在MRI环境中使用的类似非磁性测力传感器,必须用于类似的生产技术和材料。

早产监测:测压元件也可用于监测孕期点状压力变化,预防早产缺损。构建弯曲梁测力传感器的设备可以监视这样的压力变化。

这个设备由特制的腰带构成,可以卷曲到胎儿女性的腹部。皮带上安装了微处理器控制器、称重传感器和调制解调器。设备检测到压力点状时,可以通过无线调制解调器呼叫护理中心,警告妇产科医生那样的子宫压力变化是否需要紧急处理。前端适用于图2 .假肢使用的传感器,可以测量脚、脚、脚趾、手指的力。

微测力传感器:测力传感器可以在膝关节和髋关节位移的开发和手术过程中用各种方法。手术中,可以用小型定制式s形剪切梁测压元件测量肌腱和韧带的扭力。另外,定制钳子式软组织测压元件可以准确地测量伸膝装置的术中作用力。在开发人工膝盖骨韧带等植入物的情况下,可以作为开发的定制式测压元件使用,作为植入物内使用,也可以测量韧带的张力(温图2 )。

膝关节植入物所需的测压元件还包括植入式膝关节模拟器、膝关节和胫骨模拟器,前者可以测量膝盖骨植入物受到的关节作用力。该装置与试验用膝关节植入物连接,可以测量胫骨和股骨之间的负荷。评价膝盖骨髋关节的负荷平衡,有助于平衡各软组织结构的负荷,对植入物展开精确的定位,提高膝关节的稳定性。

测压元件的微细化有助于牙科研究者和设备制造商确认各种条件下各牙齿的变形力。据此,研究者可以改良牙科工作中使用的材料、牙托和牙义手。

小型的50lb应变计测力传感器,或在各齿下安装传感器的定制式接齿套,可将相关信息传输到数字显示装置或远程数据收集设备。牙科技术人员可以利用这些信息正确理解患者的颌骨、牙齿方位和压力点,设计容易对准、长时间变形的牙列。扁平多部件称重传感器:人工关节和机械假手制造商从普通的工业质量管理流程中引进了这一技术。

髋关节和膝关节模拟器使用多个扁平形测压元件,同时对多个关节展开摩擦和磨损测试,确认仪器的耐久性和平均值无故障后用于时间,开发出更坚固、更灵活的设备,终生无故障。杆端测力传感器:假肢在帮助残疾人移动中起着非常重要的作用。但是,由于没有肌肉和神经系统,很多功能有限。制造商用于监测和表明同样的杆端测力传感器的力量,研究如何将这些数据传递到患者的大脑中,构建闭环控制系统。

未来的微型化和自动化彻底改变了医疗称重传感器的应用状况,特别是从自动化中受益的外科手术领域。随着自动手术器械的日常仪器,称重传感器更经济高效,更有助于仪器自动化手术技术的开发。其中一个方法是让这些机器人减少触觉功能。不同尺寸、形状和范围的称重传感器是通过改变它们来构建的。

将来,称重传感器将逐步细化、智能化,具备兼容性和通信功能,使机器人具有与人类触觉完全相同或更好的感觉能力。这项技术在扩大外科手术应用范围的同时,减少了整体成本,恢复了更多的生命。

称重传感器也用于各种预防医疗设备。现在人们已经利用微测压元件失去了一些坏习惯,预防损伤。非常简单的做法是,比如在高尔夫装备袋和力量训练设备上安装测力计,防止过度的哥特人损伤。简单的应用例如在自动控制义肢上使用多个微测压元件,对患者的脚趾和手指施加感觉压力,将数据传输到大脑,使其及时反应。

以今天技术发展的速度,再过10年,普通称重传感器将不会成为各种医疗操作者中探索新技术的关键,而成为现在无法想象的技术。


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