當今醫療設備設計師的終極挑戰：節約空間，贏(yíng)得競爭

“寧為太平犬，莫作離亂人”這句話(huà)準確地描述了當下醫療設備設計工程師們的處境，瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)發(fā)展市場(chǎng)發(fā)展使他們面臨前所未有的機遇和挑戰，其中最緊迫的就是創(chuàng )造緊跟微型化設計潮流的醫療設備傳感器元件。微型化是目前從簡(jiǎn)單的血壓監護儀到復雜的人工心肺機幾乎所有醫療設備的主流發(fā)展趨勢。

本文重點(diǎn)闡述了開(kāi)發(fā)經(jīng)濟高效的緊湊型傳感解決方案的設計策略——傳感解決方案是為醫療設備提供有關(guān)患者狀況或治療的真實(shí)數據的關(guān)鍵。接下來(lái)我們將通過(guò)幾個(gè)醫院中常見(jiàn)的場(chǎng)景，來(lái)說(shuō)明設計師們是如何利用最新的傳感技術(shù)來(lái)設計外型緊湊、成本低廉、同時(shí)又具有出色性能、盈利性和安全性的醫療設備。每個(gè)案例都包含一些關(guān)于如何選擇元器件的簡(jiǎn)單竅門(mén)，以及最適合相關(guān)應用的產(chǎn)品范例。

圖1：輸液泵等現代醫療設備需要符合嚴格醫用材料安全標準的緊湊型傳感器

為什么結構緊湊攜帶方便如此重要

追求外型更小巧、便攜性更高的醫療設備的浪潮幾乎影響著(zhù)現代醫療護理的所有方面，其中患者運送、吸氧和門(mén)急診這一類(lèi)應用受到的影響尤其顯著(zhù)，因為設備越小巧，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護儀和支持設備能夠確保醫療小組立即為患者提供高質(zhì)量的醫療服務(wù)，使以前只能在手術(shù)室和ICU病房才能執行的治療和護理在當地診所、事故現場(chǎng)救護設施甚至是救護車(chē)和醫療直升機上也能成功實(shí)施。

體積較小的呼吸器、輸液泵(圖1)和生命體征兆監測儀同樣也能幫助醫院提高病房和ICU病房護理質(zhì)量。此外在手術(shù)室中，緊湊型監護儀、輸液泵與抽吸設備也使術(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測儀、生命支持及治療設備。

節約空間的設計還增強了產(chǎn)品的便攜性，允許醫護人員快速、方便地在患者之間移動(dòng)設備，高度便攜的裝置能夠迅速部署到分秒必爭的急救現場(chǎng)。另外，便攜性還可使患者在住院期間更靈活的運動(dòng)，讓他們獲得更大的自主權和舒適感，這對于加速患者康復大有好處。最后，高便攜性可以幫助醫護工作管理者更高效地利用醫院的資產(chǎn)，創(chuàng )造更健康的醫護環(huán)境。

小型醫療設備的種種優(yōu)勢已經(jīng)使可靠且易于使用的健康監測走進(jìn)了尋常百姓的家庭護理，并將在患者醫療服務(wù)從醫院向家庭轉移的過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用——在私立醫療保險公司和美國政府最新頒布實(shí)施的《平價(jià)醫療法案》(Affordable Care Act)的推動(dòng)下，這一轉移進(jìn)程將逐步加快。因此，有遠見(jiàn)的醫療設備制造商已經(jīng)著(zhù)手開(kāi)發(fā)能夠提供高質(zhì)量家庭醫療護理的新產(chǎn)品。

新傳感器選件使緊湊型設計成為現實(shí)

但直到近期，在實(shí)現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，這種機械/模擬元件的發(fā)展速度遠遠跟不上筆記本電腦、平板電腦、游戲機和其他消費產(chǎn)品中的數字化計算、顯示和通信技術(shù)的發(fā)展。而現在，依托小型傳感器和最新技術(shù)，設計工程師已經(jīng)可以縮小設備尺寸并降低成本。

隨著(zhù)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)，設備微型化的進(jìn)程開(kāi)始啟動(dòng)。其他領(lǐng)域中，新型解決方案通過(guò)將多個(gè)傳感器元件集成到一個(gè)封裝中，幫助設計師實(shí)現了更大的空間節約。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備和其他應用中，將過(guò)去的不可能變?yōu)槿缃竦默F實(shí)。

擁有機械接口、安裝、封裝和I/O等眾多選件的傳感器平臺賦予了醫療設備設計師空前的自由。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(模擬或數字)多種選項，從而能夠滿(mǎn)足應用嚴格的功能、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備中

電路板安裝型傳感器憑借多種優(yōu)勢，成為醫療設備和工業(yè)設計中最受歡迎的空間節約組件之一。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)。

這在某些應用中尤為重要。例如血液透析機要求精準測量透析液和靜脈壓力，以確?；颊咴谥委熎陂g安全、舒適。精確測量流體壓力和血壓，有助于消除過(guò)高壓力或過(guò)低壓力、避免血管破裂或透析管路中出現氣泡。對于這種類(lèi)型的應用，電路板安裝型傳感器支持極端的工作距離，實(shí)現高準確度、高精度的測量，且能夠快速響應系統變化(圖3)。

圖3：血液透析機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)現精確測量外，電路板安裝型傳感器還支持設計師實(shí)現更簡(jiǎn)單、更可靠的設計，通過(guò)自動(dòng)化設備快速裝配。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(wú)論何種介質(zhì))留出毫無(wú)障礙的路徑時(shí)，這些選件將發(fā)揮重要作用。 結合了傳感器端口與預集成歧管的封裝選件更能為某些應用節省空間，它們擯棄了在傳感器/端口組件與其目標介質(zhì)之間的管路和相關(guān)連接，形成了更簡(jiǎn)單、更緊湊的設計。預集成的歧管安裝支持直接連接，消除了常規設計中常見(jiàn)的多點(diǎn)阻塞、泄漏和其他類(lèi)型故障。制造商也發(fā)現取消優(yōu)化端口性能所需的反復試驗后，預集成歧管能夠顯著(zhù)節約項目的設計人工成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

多傳感器/多功能封裝

結合溫度和濕度、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療設備提供了眾多優(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計工程師提供了其他眾多優(yōu)勢，包括：

· 簡(jiǎn)化設備設計，降低制造成本

· 簡(jiǎn)化設計驗證過(guò)程

· 減少零件和連接點(diǎn)數量(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(lèi)似優(yōu)勢。例如經(jīng)過(guò)完全校準、溫度補償和放大的傳感器減少了PCB上的組件數量，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(lèi)計就不用再增加外部組件，如補償和校準傳感器信號的電阻器與放大器等。

預集成傳感解決方案(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(lèi)的端口、安裝方式、電壓與輸出(數字或模擬)集成到一起并完整補償、校準和放大了部分變量。此外，數字接口設計消除了模擬輸出所需的外部電阻器、電容器和放大器，節省了更多空間。

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(hù)進(jìn)行自由配置，以滿(mǎn)足特定醫療設備的特殊要求。此外，傳感器平臺的構件從一開(kāi)始便通過(guò)了嚴格驗證，確保高品質(zhì)和可靠性。不再需要補償和校準使設計工程師減少消耗大量資金的測試過(guò)程，甚至無(wú)需測試，從而使裝配周期更短，生產(chǎn)成本更低。

如果市場(chǎng)中沒(méi)有現成的解決方案，霍尼韋爾設計團隊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、非標準端子和溫度管理解決方案。

液體兼容性

在設計中采用兼容液體的傳感器是個(gè)復雜的話(huà)題，最好是另辟一文予以說(shuō)明，所以在本文中我們僅做簡(jiǎn)單說(shuō)明，介紹其對醫療設備外形的潛在影響。很多老式醫療設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(lái)進(jìn)行保護，因此導致設備外觀(guān)笨重，成本昂貴，同時(shí)還極大地提高了設計的復雜性。

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

在前文提及的血液透析機等應用中，傳感器直接接觸透析液使得它能夠在過(guò)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爾基礎型傳感器平臺具有多種應用的配置，集成了適用于透析機制造商的端口選件和封裝設計，設計工程師藉此能夠打造高性能的緊湊型醫療設備，同時(shí)顯著(zhù)降低設計風(fēng)險和開(kāi)發(fā)投入。

結語(yǔ)

如今業(yè)界風(fēng)起云涌，追逐小型化且便攜性更好的醫療設備的潮流方興未艾，在改善醫療護理質(zhì)量和經(jīng)濟高效性時(shí)，傳感器將在其中發(fā)揮重要作用。如今，醫療設備設計師面臨的最大挑戰之一就是創(chuàng )造適應當今產(chǎn)品要求的緊湊型傳感元件。在這一過(guò)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)的設計實(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廣泛的先進(jìn)封裝技術(shù)和預集成多傳感器元件，設計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的極少數制造商因能夠預集成大量元件，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(wú)源和有源電子組件、應用專(zhuān)屬I(mǎi)/O接口、甚至是預設計傳感器歧管的選件。除了幫助設計師成為“空間競賽”的贏(yíng)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)品設計和認證周期、為用戶(hù)提供更高可靠性并降低用戶(hù)的總擁有成本。