基于气流和硅基压力传感器的医疗设备中的应用介绍

正如每种医疗过程的背后都有着一门真正的科学，在确定用于辅助疾病的诊断和治疗的复杂医疗设备中的气流和硅基压力传感器的背后也存在着一门科学。三种使用气流和硅基压力传感器的医疗应用是：麻醉机、睡眠呼吸机和医院诊断设备。

麻醉机中使用的药剂为设备带来了独特的挑战。这些化学物质通常粘度较大，可能会在设备内部产生堆积。在制造此类设备时，必须考虑到这种因素，并采取相应恢复性措施。

因为医疗设备对于病人而言非常重要，所以要选择一个能够在设备的整个使用寿命中都能提供极好的灵敏度和精度的传感器。选择既能够满足性能需求，又能长期保持性能稳定的传感器，就能确保传感器在医疗设备的整个使用寿命期间正常使用。如果选择了正确的传感器，完全可以实现10年的传感器生命周期。

工程师应该考虑病人的呼吸频率。病人的范围可能包括从身体欠佳、呼吸频率较慢的成年人到身体健康、呼吸频率较快且肺活量较大的成年人。传感部分需要非常灵敏，以便正确地测量病人的吸气和呼气以及传递到气流之中的麻醉气体。因此，就会使用2个(有时是3个)气流传感器来测量特定的气动子系统。设计者可能应该为设备中所有重要的子系统设定一个专用的气流传感器。

因为麻醉药剂和高湿度加在一起会给传感器造成恶劣的环境，所以可以认为呼气电路中的差分压力传感器要优于气流传感器。差分压力传感器对于湿气、麻醉药剂和其他材料造成的气体介质污染的适应性要更强。

在需要高压输送源，或者传感器需要直接接触浓缩氧气或麻醉药剂的情况下，应使用与介质隔离的传感器。这时，选用与介质隔离的不锈钢压力传感器可能是最理想的，因为它较耐用。

如果需要便携式的设备，就应该考虑使用低功耗的气流和压力传感器，这可以减小所需要的电源的尺寸，并帮助限制单元的总重量。将传感器安装到气流通道的歧管处，可以帮助减小设计尺寸和重量。

另一项考虑因素是输出。数字输出，比如I2C和SPI协议，可以使传感器的分辨率以及与微处理器的集成得以最优化。但仍然存在着对模拟输出的需求，主要原因是，在某些安全电路中由于整流的需求不允许软件参与其中。用户可能希望使用传感器的原始输出来触发警报或安全状况。同时提供数字和模拟这两种选项的能力是很重要的。

最后，传感器的响应时间对于将麻醉药剂有效地输送给病人是至关重要的。使用现在的技术，麻醉机制造商能够实现1ms的响应时间。

对于睡眠呼吸机而言，当涉及到总误差带时，通常更令人关注的是病人的舒适和方便，而对性能要求并不苛刻。因为它们通常是与加湿器协同使用的，所以它们需要在较高湿度的条件下运转并且保持稳定的性能。它们必须要耐用，因为它们通常在家庭环境中被各类人士操作使用。

用户对设备的要求主要集中在精度、稳定性、便携性和单元尺寸/重量方面。对噪声的要求也很重要，因为这种设备是在睡眠过程中使用。需要使用压降较低的气流传感器，因为如果压降太高，电机的工作强度就更大(压降等于传感器中的阻抗)，从而增加噪声和缩短电机的使用寿命。

所以工程师应该选择能够以很低的速率来感应差分压力或气流的传感器。传感器应该能够测量病人呼吸的峰值，或者吸气和呼气之间的转折点。对于较复杂的睡眠呼吸机，有时会选择气流传感器而不是压力传感器，因为呼吸机需要在低气流水平时更为敏感。

一旦确定了压力、气流和介质需求，就该考虑精度和稳定性需求，包括总误差带。家用睡眠呼吸机必须要耐用，因为外在因素会影响单元性能。

出于价格方面的考虑，通常会选择增强型数字产品。与购买已经过放大的传感器相比，在稍后添加部件来调整信号大小会更加昂贵。同时，如果这样做的话，用于集成的时间将更短，这使得设计人员能够更快地实现传感器，并将最终设备更快地推向市场。

根据睡眠呼吸机类型的不同，机械要求(比如尺寸、安装和研孔)可能也会对设备的设计带来一定影响，因为客户希望得到体积更小、美观且便携的设备。可能还需考虑客户校准功能，特别是对于CPAP(持续的正向呼吸道压力)应用，以尽量提高产品性能，从而最好地匹配病人的呼吸模式。

医院诊断设备包括质谱仪、色谱仪(例如，用于气体、液体和高效液相色谱法)、实验室自动化系统以及分析仪，比如用于血液、血液学、免疫分析和临床化学等用途的分析仪。

在为医院诊断设备选择传感器时，高分辨率、高精度和高稳定性都是要着重考虑的关键因素。设备需要能够检测到甚至是最小的物质量。因此，诊断设备一般都具有最高的分辨率要求，通常是16位或更高。传感器的精度和稳定性对于获取精确的数据是很重要的，而精确的数据对于实验室检测结果至关重要，并会直接关系到病人的生命安危。

确定需要检测的压力和气流的全部范围和增量是需要考虑的首要因素。传感器在医院诊断领域的应用可能还要求具有与清洁、干燥的空气之外的其他介质的相容性。在有些诊断设备中，从塑料或粘合剂中释放出的气体，尽管数量微乎其微，也会污染样品并使测试结果产生偏差。精度，特别是对线性和滞后误差而言，都是很重要的。因为整个系统的灵敏度和所使用的传感器的灵敏度有关，所以应该尽量减小滞后作用。0.25%的精度误差是最佳的(非线性和迟滞误差)，而0.5%通常是允许存在的最大值。

如上所述，高分辨率是至关重要的，这就是为什么诊断和分析设备的用户可能会选择未经放大的传感器以获取尽量多的核心/原始传感器输出，并自己来创建补偿和放大算法的原因。一些传感器制造商通过高分辨率的A/D转换器来提供带放大的产品。注意，高分辨率A/D转换器并不是传感器的分辨率——需要考虑传感器本身的分辨率。如果传感器的分辨率较低，那么A/D所具有的额外位数将只能提供额外的无用数据。

稳定性是非常重要的，因为漂移可能会意外地影响传感器的读数。如果传感器在设备制成之后发生漂移(校准在设备发运之前完成)，结果就会出现偏差。传感器在制造和安装启用过程中，必须考虑如何防范热应力和机械应力的影响，因为这会影响到设备性能的稳定。在医院诊断应用中，对于与漂移和不稳定性有关的误差而言，0.5%或更低是可接受的最大值。

与其他医疗应用不同的是，对于诊断设备而言，尺寸并不是特别关键的因素，因为它们大多数都是体积较大、不便移动的设备，并固定摆放在实验室中。应该先考虑分辨率、精度和稳定性，其次才是物理因素，比如输出、尺寸、安装、研孔和电力需求。