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科技助力疫情防控,感知技术无处不在丨传感器在疫情中的作用

作者:中国传感器与物联网产业联盟副理事长、九三中央科技委副主任郭源生来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2020-02-12 21:18我要评论

近期,突如其来的新型冠状病毒感染引发的肺炎疫情席卷而来,牵动着全国人民的心。多地启动了重大突发公共卫生事件一级响应,一场为阻断疫情肆意扩散,防止进一步蔓延的战役全面打响。在这次全民紧急行动战役中,除了疫情防护用品和设施外,以5G、人工智能、虚拟现实等为代表的一大批前沿性新技术开始应用。新技术催生下的智能化呼吸机、监护仪、制氧机、负压救护车等医疗产品都出现在疫情防控第一线,在危重病人抢救以及抑制病毒扩散中发挥了重大作用。由此可见,高科技产品在助力疫情防控中的功效,以及应对各种紧急突发事件中的角色都不容忽视。当然,作为疫情各种数据采集的基础技术与核心部件,传感器的关键作用更是无可比拟。其中声敏、力敏、磁敏、气敏、光敏、温湿度、RFID射频、介质生物(试纸、酶电极)等八大敏感元器件及传感器无一例外地应用于各种防控措施和场景之中,有其不可替代性。

由于这次新型冠状病毒确诊患者常见症状主要表现为呼吸道感染、发热、咳嗽、呼吸急促或者呼吸困难。以下几种传感器在本次疫情管控中发挥主要作用。

红外传感器技术在体温筛查中的应用

从目前各种症状来看,虽然“发热”不是判断感染肺炎的唯一指标(有些轻度病例并不发热,但发热一定是重症),但在没有完全精准有效的方法前,体温检测就成为判断是否感染的关键指标。这样一来,面对公共场所庞大的流动人口,还要在移动状态下快速、准确、及时检测并筛查出非正常体温就至关重要。当然,这对于非接触式的红外测温仪来说,已不是困难的问题,不论是立式红外测温仪,还是手持耳温枪、额温枪等红外检测设备,都能准确达到精度要求。在此类设备中,主要发挥功效的就是能达到医用计量标准和参数指标要求的高精度、高可靠和高稳定性、一致性的红外温度传感器。

红外测温仪是由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。人体的红外辐射的热像信号,经过光学接收器传输给调制器,在消除大面积的背景干扰信号后,将红外辐射的热像信号转变成电信号,再经过放大器和信号处理,并按照仪器内设的算法和目标发射率校正后,最终转变为被测目标的温度值。简单来说,红外传感器在接收到物体发出的能量后,通过其光学系统将红外能量转换成电信号,通过模型算法及参数校准,将其转换为医用级的高精度温度值。相对于其他类型的测温方式,红外测温方式的优势在于快速、直观、非接触检测。

压力、流量、温湿度等传感器在呼吸机系统中的应用

目前,呼吸机是眼下患者最需要的医疗设备,改善呼吸是重要治疗手段。由于病毒感染后,呼吸困难是危重病人的典型症状,而呼吸机能使肺泡在呼气末保持一定压力,增加功能残气量,防止肺泡萎陷,从而改变通气和换气功能,实现对病人进行辅助呼吸治疗的目的。持续正压通气(CPAP)的呼吸机装置,可强迫空气进入肺部,在整个呼吸周期内人为施加一定程度的气道内正压。如果病人出现呼吸暂停,CPAP呼吸机可根据预设的频率进行必要的机械通气。这就需要呼吸机中设计安装多个传感器,实时、持续、精确地控制气流、压力和湿度,保持患者持续呼吸功能。因此,呼吸设备都会用到气体质量流量、压力、湿度、温度和磁等传感器,监测和控制气流、压力、温湿度等指标,同时支持和保障稳定的电机控制系统运行。

(1)空气流量传感器

主要用于测量进入系统的氧气的流量,以确保充足的空气供应。通过判断患者睡眠时的呼吸节奏,根据呼吸速度快慢,通过进气泵控制,调节通气量大小与速度,使患者呼吸和进气频率保持一致,以提供肺部足够的氧浓度。

(2)压力传感器

在呼吸机运行系统中,检测病患呼吸压力的变化和振动(如打鼾)至关重要。病人呼气期间的二氧化碳水平,也可通过差压传感器进行测量计算。比如,呼吸机通过使用差压传感器可测量2英寸水柱压力差,更好地获取患者二氧化碳输出量,以调节输入压力大小。具体来说,压力传感器可将气道压力转化为差动信号,并将测量值交给电路MCU准确做出吸气和呼气判断。之后,由MCU发出指令控制进气泵,增大或者减小管道压强。使患者呼吸自然顺畅,且不会产生抵触感。

(3)温、湿度传感器

温、湿度传感器主要用于测量和调节通气管中空气的温湿度,提供舒适的暖湿气流,避免患者因吸入干燥和过高过低温度空气而导致嗓子疼,影响呼吸与睡眠质量。当气流中需要加湿气时,湿度传感器给出相对应的反馈信息,控制器根据数据信息进行湿度精准调节,确保气流的湿度范围。同时,在气流通路中,直接安装分立式热敏电阻,以检测气流温度。或者采用温度探测组件来定位热敏电阻元件在待测介质中的位置,并保护热敏电阻免受损坏。探测组件还能保持热气流直接、均匀地流过热敏电阻,从而准确感应温度。 

(4)磁传感器

为使呼吸机电机顺畅运转,呼吸机还会通过风机系统来冷却电机组件。采用磁传感器感知呼吸机中电机运行参数,如霍尔磁元件来支持稳定的电机控制,保持电机平稳运转,以减少由风机系统产生的噪音和振动。

气体传感器在医疗器械中的应用

重症患者其动脉血液中的氧含量高低是医生用于检测和评价生命体特征的重要指标。

目前,最常用的医用氧传感器是电化学式,俗称氧电池。氧气进入传感器后,内部所含的铅(Pb)逐渐被氧化成PbO2,其寿命只能1年左右。作为创新型替代产品,一种顺磁原理的氧气传感器逐步开始使用。其工艺较复杂,价格较高,但寿命长,是非消耗品,可长期使用不用更换。此外,若通过夹带式可穿戴设备进行血氧饱和度监测,可避免采血抽样,实验室手工分析等繁杂过程,是实现动态变化的实时信息获取与监测的有效方法,即可以保障病情判断的准确性、及时性,以及血氧动态变化的连续性。伴随氧传感器同时使用的还有医用二氧化碳传感器,疫情防控中的应用场合更为普遍。包括呼吸机、救护氧舱、麻醉剂、婴儿培养箱、ICU病房以及住院隔离区环境监测等等。

作为无创性、快速、廉价的检查手段,气体传感器在医学诊疗过程的应用更为重要和普遍。例如测量幽门螺旋杆菌(Hp)。Hp可引起多种胃病,包括浅表性胃炎、胃溃疡、十二指肠溃疡、非溃疡性消化不良,严重到胃癌。通过呼气排放中检测出ppb级别的二氧化碳浓度,即可判断是否存在Hp感染以及感染量化程度等等都是通过气体传感器来完成的。 

除此之外,疑似患者甄别试纸、试剂数据、医疗可穿戴产品、大小型制氧机、医用机器人、护理机器人等等。以及各种实验、化验检测;医疗器械与监控设备,智能化医院环境与装备设施,甚至是生产医疗相关产品的自动化、智能化、数据信息化过程无疑大量使用了各种不同结构类型的传感器,传感器在医疗中的应用更是数不胜数,举不胜举。

总之,作为数据采集的唯一功能器件和信息化基础产品,传感器可量化精准地获取人体血糖、血脂、血氧、血压、心动、脑电、皮电、体温等等所有反映健康体征的生理参数指标。在本次疫情中,乃至医疗行业应用可谓是无处不在。人们期待着通过疫情防控呈现出的不同场景和突出问题,给相关企业提供相关技术信息和创新思路,使得业内企业以此为契机,通过跨界的融合与协同,不断创新出更多的生物医学传感器,以满足国家对应急突发事件预警检测和防控监测的及时性需求。




责任编辑:赵强
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