各種傳感器技術(shù)在疫情管控中的應(yīng)用解析

近期，突如其來的新型冠狀病毒感染引發(fā)的肺炎疫情席卷而來，牽動著全國人民的心。作為疫情各種數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)技術(shù)與核心部件，傳感器的關(guān)鍵作用無可比擬。其中聲敏、力敏、磁敏、氣敏、光敏、溫濕度、RFID射頻、介質(zhì)生物（試紙、酶電極）等八大敏感元器件及傳感器無一例外地應(yīng)用于各種防控措施和場景之中，有其不可替代性。

由于這次新型冠狀病毒確診患者常見癥狀主要表現(xiàn)為呼吸道感染、發(fā)熱、咳嗽、呼吸急促或者呼吸困難。以下幾種傳感器在本次疫情管控中發(fā)揮主要作用。

1、紅外傳感器技術(shù)在體溫篩查中的應(yīng)用

從目前各種癥狀來看，雖然“發(fā)熱”不是判斷感染肺炎的唯一指標(biāo)（有些輕度病例并不發(fā)熱，但發(fā)熱一定是重癥），但在沒有完全精準(zhǔn)有效的方法前，體溫檢測就成為判斷是否感染的關(guān)鍵指標(biāo)。這樣一來，面對公共場所龐大的流動人口，還要在移動狀態(tài)下快速、準(zhǔn)確、及時檢測并篩查出非正常體溫就至關(guān)重要。當(dāng)然，這對于非接觸式的紅外測溫儀來說，已不是困難的問題，不論是立式紅外測溫儀，還是手持耳溫槍、額溫槍等紅外檢測設(shè)備，都能準(zhǔn)確達(dá)到精度要求。在此類設(shè)備中，主要發(fā)揮功效的就是能達(dá)到醫(yī)用計量標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)指標(biāo)要求的高精度、高可靠和高穩(wěn)定性、一致性的紅外溫度傳感器。

紅外測溫儀是由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。人體的紅外輻射的熱像信號，經(jīng)過光學(xué)接收器傳輸給調(diào)制器，在消除大面積的背景干擾信號后，將紅外輻射的熱像信號轉(zhuǎn)變成電信號，再經(jīng)過放大器和信號處理，并按照儀器內(nèi)設(shè)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后，最終轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。簡單來說，紅外傳感器在接收到物體發(fā)出的能量后，通過其光學(xué)系統(tǒng)將紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號，通過模型算法及參數(shù)校準(zhǔn)，將其轉(zhuǎn)換為醫(yī)用級的高精度溫度值。

相對于其他類型的測溫方式，紅外測溫方式的優(yōu)勢在于快速、直觀、非接觸檢測。

2、壓力、流量、溫濕度等傳感器在呼吸機系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，呼吸機是眼下患者最需要的醫(yī)療設(shè)備，改善呼吸是重要治療手段。由于病毒感染后，呼吸困難是危重病人的典型癥狀，而呼吸機能使肺泡在呼氣末保持一定壓力，增加功能殘氣量，防止肺泡萎陷，從而改變通氣和換氣功能，實現(xiàn)對病人進行輔助呼吸治療的目的。

持續(xù)正壓通氣（CPAP）的呼吸機裝置，可強迫空氣進入肺部，在整個呼吸周期內(nèi)人為施加一定程度的氣道內(nèi)正壓。如果病人出現(xiàn)呼吸暫停，CPAP呼吸機可根據(jù)預(yù)設(shè)的頻率進行必要的機械通氣。這就需要呼吸機中設(shè)計安裝多個傳感器，實時、持續(xù)、精確地控制氣流、壓力和濕度，保持患者持續(xù)呼吸功能。因此，呼吸設(shè)備都會用到氣體質(zhì)量流量、壓力、濕度、溫度和磁等傳感器，監(jiān)測和控制氣流、壓力、溫濕度等指標(biāo)，同時支持和保障穩(wěn)定的電機控制系統(tǒng)運行。

（1）空氣流量傳感器

主要用于測量進入系統(tǒng)的氧氣的流量，以確保充足的空氣供應(yīng)。通過判斷患者睡眠時的呼吸節(jié)奏，根據(jù)呼吸速度快慢，通過進氣泵控制，調(diào)節(jié)通氣量大小與速度，使患者呼吸和進氣頻率保持一致，以提供肺部足夠的氧濃度。

（2）壓力傳感器

在呼吸機運行系統(tǒng)中，檢測病患呼吸壓力的變化和振動（如打鼾）至關(guān)重要。病人呼氣期間的二氧化碳水平，也可通過差壓傳感器進行測量計算。比如，呼吸機通過使用差壓傳感器可測量2英寸水柱壓力差，更好地獲取患者二氧化碳輸出量，以調(diào)節(jié)輸入壓力大小。

具體來說，壓力傳感器可將氣道壓力轉(zhuǎn)化為差動信號，并將測量值交給電路MCU準(zhǔn)確做出吸氣和呼氣判斷。之后，由MCU發(fā)出指令控制進氣泵，增大或者減小管道壓強。使患者呼吸自然順暢，且不會產(chǎn)生抵觸感。

（3）溫、濕度傳感器

溫、濕度傳感器主要用于測量和調(diào)節(jié)通氣管中空氣的溫濕度，提供舒適的暖濕氣流，避免患者因吸入干燥和過高過低溫度空氣而導(dǎo)致嗓子疼，影響呼吸與睡眠質(zhì)量。當(dāng)氣流中需要加濕氣時，濕度傳感器給出相對應(yīng)的反饋信息，控制器根據(jù)數(shù)據(jù)信息進行濕度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，確保氣流的濕度范圍。同時，在氣流通路中，直接安裝分立式熱敏電阻，以檢測氣流溫度?；蛘卟捎脺囟忍綔y組件來定位熱敏電阻元件在待測介質(zhì)中的位置，并保護熱敏電阻免受損壞。探測組件還能保持熱氣流直接、均勻地流過熱敏電阻，從而準(zhǔn)確感應(yīng)溫度。

（4）磁傳感器

為使呼吸機電機順暢運轉(zhuǎn)，呼吸機還會通過風(fēng)機系統(tǒng)來冷卻電機組件。采用磁傳感器感知呼吸機中電機運行參數(shù)，如霍爾磁元件來支持穩(wěn)定的電機控制，保持電機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，以減少由風(fēng)機系統(tǒng)產(chǎn)生的噪音和振動。

3、氣體傳感器在醫(yī)療器械中的應(yīng)用

重癥患者其動脈血液中的氧含量高低是醫(yī)生用于檢測和評價生命體特征的重要指標(biāo)。

目前，最常用的醫(yī)用氧傳感器是電化學(xué)式，俗稱氧電池。氧氣進入傳感器后，內(nèi)部所含的鉛（Pb）逐漸被氧化成PbO2，其壽命只能1年左右。作為創(chuàng)新型替代產(chǎn)品，一種順磁原理的氧氣傳感器逐步開始使用。其工藝較復(fù)雜，價格較高，但壽命長，是非消耗品，可長期使用不用更換。

此外，若通過夾帶式可穿戴設(shè)備進行血氧飽和度監(jiān)測，可避免采血抽樣，實驗室手工分析等繁雜過程，是實現(xiàn)動態(tài)變化的實時信息獲取與監(jiān)測的有效方法，即可以保障病情判斷的準(zhǔn)確性、及時性，以及血氧動態(tài)變化的連續(xù)性。伴隨氧傳感器同時使用的還有醫(yī)用二氧化碳傳感器，疫情防控中的應(yīng)用場合更為普遍。包括呼吸機、救護氧艙、麻醉劑、嬰兒培養(yǎng)箱、ICU病房以及住院隔離區(qū)環(huán)境監(jiān)測等等。

作為無創(chuàng)性、快速、廉價的檢查手段，氣體傳感器在醫(yī)學(xué)診療過程的應(yīng)用更為重要和普遍。例如測量幽門螺旋桿菌（Hp）。Hp可引起多種胃病，包括淺表性胃炎、胃潰瘍、十二指腸潰瘍、非潰瘍性消化不良，嚴(yán)重到胃癌。通過呼氣排放中檢測出ppb級別的二氧化碳濃度，即可判斷是否存在Hp感染以及感染量化程度等等都是通過氣體傳感器來完成的。

除此之外，疑似患者甄別試紙、試劑數(shù)據(jù)、醫(yī)療可穿戴產(chǎn)品、大小型制氧機、醫(yī)用機器人、護理機器人等等。以及各種實驗、化驗檢測；醫(yī)療器械與監(jiān)控設(shè)備，智能化醫(yī)院環(huán)境與裝備設(shè)施，甚至是生產(chǎn)醫(yī)療相關(guān)產(chǎn)品的自動化、智能化、數(shù)據(jù)信息化過程無疑大量使用了各種不同結(jié)構(gòu)類型的傳感器，傳感器在醫(yī)療中的應(yīng)用更是數(shù)不勝數(shù)，舉不勝舉。

總之，作為數(shù)據(jù)采集的唯一功能器件和信息化基礎(chǔ)產(chǎn)品，傳感器可量化精準(zhǔn)地獲取人體血糖、血脂、血氧、血壓、心動、腦電、皮電、體溫等等所有反映健康體征的生理參數(shù)指標(biāo)。在本次疫情中，乃至醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用可謂是無處不在。人們期待著通過疫情防控呈現(xiàn)出的不同場景和突出問題，給相關(guān)企業(yè)提供相關(guān)技術(shù)信息和創(chuàng)新思路，使得業(yè)內(nèi)企業(yè)以此為契機，通過跨界的融合與協(xié)同，不斷創(chuàng)新出更多的生物醫(yī)學(xué)傳感器，以滿足國家對應(yīng)急突發(fā)事件預(yù)警檢測和防控監(jiān)測的及時性需求。

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