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智能时代医疗应用传感器 发展报告

作者:时间:2020-07-12来源:电子产品世界收藏
编者按:智能时代背景下,大数据、5G、人工智能等系列“信 息新基建”的发展重新定义着人类的未来。在万物感知、 万物互连、万物智能的世界中,人与人、人与世界因 信息技术得以充分连接,获得知识与技能的共享,相 关技术的发展也为人类生命和健康发展带来质的提升。 智能技术是全人类的福祉,也是目前人类维护生命健 康有效的方式。

传感器作为智能技术的起点,肩负着感知环境,收集 获取信息的任务,在医疗领域助力人们完成更精确高 效的疾病防治和健康监测。本报告将从“医疗器械”、“大 健康”以及“互联网医疗”三个领域,全面阐述医疗 应用传感器在其中的典型应用、技术特点和商业价值。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202007/415464.htm

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背景

随着 ABCDEI(人工智能 、区块链 Blockchain、云计算 Cloud、大数 据 Big Data、边缘计算 Edge Computing、物联网 IoT 等数字技术)的 快速发展和普及,智能技术已在合理分配医疗资源,提升健康服务效率和水 平时成为全球范围内的不二选择。据统计,2020-2028 年,人工智能技术在全球医疗保健市场的年复合增长率达 38.05%1,主要聚焦临床测试、个 性化医疗、实时诊疗系统等;与人工智能同步,未来 5 到 10 年医疗器械智 能化成为大势所趋,相关数据显示,2017 年至 2022 年间,以医疗物联网 (loMT)为基础的智慧医疗器械市场估值将从也将 149 亿美元增长至 522 亿美元2。在中国,“智慧医疗”一词在 2009 年伴随新医改政策在国内推出, 而互联网医疗首诊却直至 2020 年才在新冠肺炎疫情(COVID-19)推动下 在政策层面被正式认可。自此以后,医疗数智化便按下了落实全民普及的新 “快进键”。

资料来源:

1 Inkwoo Research

2 全球管理咨询公司德勤英国健康解决方案中心

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观点

中医诊断四步骤:望闻问切,即医生通过与患者交互的过程中,了解患者情 况,对患者健康状况以及合适的治疗方案做出基本判断。而在如今的“智慧 医疗”中,传感器便化身医生的“耳目“,负责将“听到”、“看到”、“感 受到”的物理量转化为各种生命体征信号,如心率、血氧、血压、体温等, 进而为诊疗和监护提供了重要保障。可以说,通过医疗应用传感器捕捉到的 数据是现代医疗方案以“智慧化“一以贯之,造福患者生命健康的起点。

面对智慧医疗的未来,TE Connectivity (TE) 在传感领域提出了“未来感 知,由我先知”的口号,以及“创新(Innovation)”、“集成(Integration)”、 和“智能(Intelligence)”三大价值主张。TE 的“创新”在于提供精确、 可靠、高性能、高品质,能够满足日益复杂的医疗环境的创新传感器解决方 案;TE 的“集成”是增强与医疗器械设备客户的合作,协同设计医疗器械 解决方案,优化产品性能;TE 的“智能”,即聚焦智能传感器领域,成为“工 程师的工程师”,助力医疗器械的智能化发展。在三大价值主张的引领下, TE 致力于让未来医疗健康的每一个交互对象,获得更多感知和探索人类生 命健康未知领域的机会,从而构建更安全、可持续、高效和互连的未来。

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医疗器械

医疗器械作为高新技术行业且涉及民生福祉,一直受 到全球各国广泛重视。因原材料来源广、生产工艺复 杂、迭代速度快、生命周期短、受季节性波动大等因 素,该行业影响且考验着零件制造业、医疗器械研发 制造商和医疗卫生行业等供应商和制造商的生存和发 展状态,乃至一个国家的尖端技术实力和制造水平。 根据全球知名医疗市场信息数据咨询公司 Evaluate (EvaluateMedTech)数据,2020 年,全球医疗器 械市场销售额为 4050 亿美元,年均复合增长率在 5% 左右,行业集中度进一步提升。国金证券行业研究报告 数据显示,世界医疗器械市场规模超过 4000 亿美元, 中国医疗器械年出口金额超过 230 亿美元。

中国早在 2017 年便已成为全球第二大医疗器械市场, 仅次于美国。2020 年第一季度中国国内医疗器械企业 共有 10 家全球销售利润破亿,其中迈瑞医疗营收 48 亿 美元,鱼跃医疗营收近 14 亿美元3。持续亮眼的市场表 现并且在疫情期间拥有面向全球的产品供应力,这些都 得益于国内医疗法治化环境的建立与成熟。近年来,中 国医疗器械政策密集发布,医疗器械注册人制度()、 高值医用耗材改革、疾病诊断相关分组()付费改革、SPD 医疗供应链服务模式更新、医联体、分级诊疗 等改革制度帮助中国医疗器械产业从制造端到服务端整 体改善。2020 全国两会召开期间,高端医疗器械创新 与加快推动人工智能医疗器械产品上市成为相关代表的提案重点。

资料来源:3 东方财富旗下金融数据平台 Choice

“智能化”一直是医疗行业提升创新能力中不可不提的技术方向。在这进程中, 智能化设备不断涌现,智能技术的运用也融入医疗器械的“血脉”,在诊断、 监护、手术、治疗等每个过程中牵动着医疗器械质量管理的神经,毕竟所有 融入医疗器械的技术和细节都事关患者的生命健康。 为器械的智能化搭建底层网络基础,同时满足严苛的产品安全要求,传感器 的使用必不可少。

用于诊断治疗和病患监护设备的特定传感器

在胸腔、腹腔、开颅等大型手术后,对患者进行体温、呼吸、脉搏、血压等实时生命体征的监测将帮助医护工 作人员了解患者麻醉后苏醒情况,随时掌握术后病情,还能扩充医疗病历临床数据,验证诊疗方案的有效性。

血氧监测

血氧饱和度衡量人体血液内的血氧含量,是判断人体呼 吸循环系统是否正常运转的重要指标,对于肺炎、哮喘、 慢性阻塞性肺病(COPD)和心力衰竭等呼吸系统疾 病患者尤其关键。在术中及术后的血氧饱和度监测可帮 助医护工作人员实时了解病人体血液含氧量。若血氧饱 和度偏低则表示患者体内持续缺氧,若患者长时间处于缺氧状态会造成器官衰竭、体内酸中毒,一旦造成器质 性病变将难以恢复。因此,与血压监测一样,血氧监测也成为医护人员衡量病人术中及术后病情状况的关键指标。

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血氧仪利用红外光技术,透过手指、脚趾、耳朵皮肤和肌肉骨骼组织后的对光的吸收量的变化监测人体血氧饱和度和脉搏。通过监测脱氧血红蛋白和有氧合血红蛋白对于红光 LED 和红外光 LED 两种不同波长光的吸收差 异,血氧传感器负责测量检测器所接收两种光的光亮差 异并计算出所吸收的光量,最后通过计算测出的数值差 来获得测量血氧饱和度最基本的数据。

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SpO2 ELM 系列传感器

TE 的血氧传感器使用发射器和接收器两种光电组件, 可应用于脉搏血氧仪、重复性指夹式 / 耳夹式 SpO2 探头、一次性条状 / 蝶状 SpO2 探头等。凭借 30 余年 的专业知识及验证经验,TE 已设计出可适应多个波长 选项的高灵敏度 SpO2 传感器 ELM-4000 插件系列 及 ELM-5000 贴片系列,满足不同血氧仪高精度、高 耐用性及高性能的产品需求。ELM 系列产品内置两个 LED,一个波长为 660nm ± 3nm 的红光 LED,另一 个波长为 890 或 905nm 的红外 LED。检测器组件为 硅平面扩散型光电二极管,具有效率高、响应快的特点。 表贴式组件可采用自动锡焊工艺进行组装,可降低产品 整体成本,提高质量。规模化的自动化产线,满足大批 量元件生产需求,也可为血氧仪厂商提供一次性血氧传 感器和重复性使用血氧传感器。

药物灌注

重症加护病房 ICU、心脏内科监护室 CCU、儿科、心胸、 脑外科等重症患者以及术中无法主动进药的病患需要能够准确控制输液量和流速,因为输液的剂量与速度都会对患者造成影响。医用输液泵以及注射泵的产生让严格控制药物输入速度和数量成为可能,这不仅对患者维持 体征和营养补给提供了可靠性与安全性,也为减轻医护人员的工作强度提供莫大帮助。

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输液泵系统主要由微机系统、泵装置、监测装置、报警装置和输入及显示装置组成。注射泵相当于微量给药版的输液泵,两者原理相似,且都具备相应的状态监测系 统与报警装置。监测装置主要由多种传感器组成,输液 泵配有红外滴数传感器、称重力传感器和超声波气泡传 感器等,以确认持续并且准确的药液流量、检测阻塞、 从外部检测管道中的气泡以及测量液位,再由传感器将信号发布给报警系统进行正确的信号处理,保证输液剂 量与速度的精准性,从而达到最佳治疗效果,减少医护 与患者的负担。

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FX29 按钮压缩式力传感器

在输液泵中,两个力传感器检测由药液压力产生的力, 并将差分信号与药液的流速相关联。因力传感器最基本的特性是灵敏度、稳定性、可重复性和精度,这些特性都与医疗泵药液输送原理相呼应,因此医疗泵也是力传感器使用最多的场景之一。

TE 在力传感器设计和制造领域处于领先地位。TE 的 FX29 按钮压缩式力传感器其核心元件由一个半导体微 机械硅压阻式应变片构成,每个力传感器有四个精心排 布的 MEMS 裸芯片。应变片根据密切匹配的热 / 电工 作特性配对,形成一个惠斯通电桥,其中两个应变片测 量张力,另外两个应变片测量压缩力,应变片所依附的 基板可在受到外界力或扭矩作用时变形。电桥产生的差 分电压输出信号与外界施加在 FX29 基板上的力的大小 成正比。与许多制造商使用的粘结箔应变片 (BFSG) 技 术相比,半导体应变片具有 75 倍的灵敏度,因此可支 持更硬的负载受力结构和更小的应力等级,但仍可产生 10 倍的信号输出。MEMS 应变片使用玻璃这种无机材 料通过微熔技术的高温工艺与不锈钢基板相粘合。 无机材料的使用和微熔技术工艺可减轻机械零件中的残余应力,确保传感器的长期稳定性。 值得一提的是,TE 的 微熔技术制造工艺已经过微调,可保证数百万数量级的批量生产4

资料来源:4TE 白皮书:优化紧凑型力传感器设计以提高性能

输液管产生的气泡一旦进入人体会对病人造成不利影响,当气泡体积大于 5ml 时甚至会导致死亡,因此加强医疗泵的气泡监测很有必要。 TE 的 AD-101 非侵入式 气泡检测器利用超声波技术(即超声波的散射衰减特性) 能够识别任何类型液体中是否存在流动中断。 当输液管 被气泡填充时,由于空气和水的声阻相抗较大,传感器 发射端释放的超声波在其中传播会有很大的反射系数从 而引起较大衰减,其衰减值可被传感器接收端及时捕捉并转换成相应的电信号。该款紧凑型产品可灵活定制, 适于几乎所有内径小于 10 毫米的灵活塑料管或管道。 而其非侵入式设计解决了在流体环境下如何保持无菌状态的难题,加上超强的抗信号干扰特性、可定制特性与 通电后可支持持续自我诊断等优势,为医疗泵制造厂商 实现产品新突破提供有效技术辅助。

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AD-101 非侵入式气泡检测器

TE 的磁阻角度传感器 KMT32B 也应用于输液泵 / 胰岛 素泵中的微型螺杆泵中,用来监测导螺杆的转动角度, 并通过电机控制器反馈控制导螺杆的转向和速度,从而 控制向病人的输液速度。

呼吸管理与改善

在术前麻醉、术中呼吸监控和术后麻醉复苏的整个围术期都会频繁使用到呼吸机。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。一些大流行疾病的重度甚至危重患者极易出现呼吸衰竭、休克、凝血功能障碍等症状,若没有及时的呼吸 机辅助,严重时会发生重要器官衰竭乃至死亡。

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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,用于实时、持续、稳定、精确地监测和控制气流、 压力和温湿度等参数指标,以保持患者获得持续、舒适的呼吸功能。因此,呼吸设备都会安装有气体质量流量、 压力、湿度、温度和磁等传感器。而这些种类的传感器 同样在其他临床应用中发挥着独特的作用。

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气体流量传感器设计用于测量进入呼吸机的氧气水平, 以确保充足的空气供应。TE 热膜式气体流量传感器 LMM-H04 有单向和双向设计,使得传感器可进行正向和负向空气流量测量。LMM-H04 是一种热力传感元件,用于在定义良好的通道中单向测量空气质量流量。适用于呼吸机和麻醉机等对气体流通有较高敏锐度要求的场景内。

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LMM-H04 热膜式气体流量传感器

人体呼吸功能与肺泡的膨胀与收缩紧密相关,正是其过 程与大气压之间行程的压力差才形成完整的呼吸过程。压力传感器设计用于捕捉风扇、储气罐 / 氧气瓶压力、 过滤膜进气、患者呼吸等不同大小的气压与气流指数, 在不同海拔高度环境下调节病人呼气与吸气,同时监测 呼吸机各管路的清洁状况,确保患者进气干净,并与患者呼吸节奏同步。其中,呼吸机滤膜用以过滤进气时的灰尘、粉尘,以及空气中的有害物质,在确保使用者进 气清洁的同时,防止灰尘磨损马达造成机器损坏,帮助 延长机器的使用寿命。

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SMI 压力传感器

TE 的 SMI 压力传感器 SM7000 与 SM9000 具备超低 的压力传感范围,高度灵敏的传感元件可检测到小至 125 Pa 的超低压力变化,即使是患者呼吸或呼吸机过滤膜的进气情况等微小气压变化都可精确捕捉。 16 位数字转换 器实现轻松快速地信号读取。高适配性使其对安装方向不敏感,适用于任何型号的医用或家用无创呼吸机5

资料来源:5 TE 产品应用指南《用于低压传感的 SMI 压力传感器》

当低压空气被持续不断地输送到呼吸面罩中以保持气管开放时,进入人体的温暖、潮湿的空气可以显著提高患者的舒适度。多种较新的呼吸机设备通过配备特定的传感器来测量和调节湿度、温度和其他参数,使得患者所呼吸的气流的湿度可以得到有效的监测和控制。TE 的传感器产品即可被应用于提供此项功能。TE 推出的 HTU 系列可表面贴装的湿度 / 温度数字输出组合传感器,采用紧凑的 6 引脚 DFN 封装,规格可达 2.5 x 2.5 x 0.9 mm ,响应时间快,而典型功耗低(仅为 3.78 μW)。通过精确校准,这些高精度传感器每个都进行 了序列化以实现可追溯性,其相对湿度的典型精确度为 ±2%,温度的典型精确度 ±0.2° C。该种传感器既提 供可配置地址 I2C 的数字输出版本,也提供模拟输出版本,可迎合传感器数字化数据收集与分析的发展需求。

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HTU 系列温湿度传感器

影像检测

X 光 (X-Ray)、电脑断层扫描 (CT)、磁力共振 (MRI) 等医学影像检测方法,都可以帮助医生更精准地定位和 发现病情。在临床治疗中,固定患者的位置、并瞄准该 位置进行连续治疗非常重要,这样可以将更高剂量的放 射线传递给目标癌变区域,同时对周围的良性组织的损 伤较少。TE 的拉绳位移传感器 PTX150 可被安装在移 床底部或成像臂上,用于测量仪器的相对位移变化,以 确保不会针对良性组织产生误操作、而对患者造成重大 损伤。TE 的拉绳位移传感器还提供多种检测范围,可 适应不同医疗仪器和场景,其高可靠性外壳耐用性高; 该拉绳位移传感器还提供 NIST 校准证书,有 MT2A 和 MT2E 高精度产品可选,也可按客户要求提供定制服务。

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关键词: DRG MAH AI

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