測壓傳感器基本上是可將力或重力轉(zhuǎn)化為電信號的換能器。數(shù)十年來，這種傳感器廣泛用于各行各業(yè)的測量和傳感領(lǐng)域。大多數(shù)測壓傳感器的核心部件是電阻應(yīng)變計。該元件受到拉力或壓力時，電阻會發(fā)生變化。箔應(yīng)變計是最常用的一種，由經(jīng)過熱處理的超薄金屬箔片制成。該箔片可以在介電薄層上化學蝕刻而成，或者采用真空沉積或濺射技術(shù)，通過材料的分子鍵合附著在介電層上。后一種技術(shù)通常稱為薄膜法。理想的應(yīng)變計應(yīng)該體積小，成本低，對于負荷方向上的應(yīng)變極為靈敏，而且不受周圍環(huán)境溫度變化的影響。

要通過應(yīng)變計測量應(yīng)變，所用電路必須能夠測量微小應(yīng)變帶來的微弱電阻變化。應(yīng)變計換能器通常包括4個應(yīng)變計元件，這些元件通過導(dǎo)線連接成惠斯頓電橋電路。作為應(yīng)變測量的最佳選擇，這種電路為四腳并聯(lián)分離式電橋電路，它可測量電阻變化引起的電流改變。其輸出電壓以單位輸入電壓下的毫伏數(shù)表示（mV/V）?；菟诡D電橋也適用于溫度補償。

測壓傳感器種類及相應(yīng)的測壓技術(shù)

一般的惠斯頓電橋電路包括4個應(yīng)變計。但有些測壓傳感器可使用8、16、32甚至更多個應(yīng)變計，而另一些設(shè)備則僅使用一到兩個應(yīng)變計。應(yīng)變計定位是否準確、安裝方式如何以及所用的材料決定了測壓傳感器的性能。換能器的模擬輸出通常需要進行信號調(diào)節(jié)、放大和數(shù)字化，以顯示力、測重、壓力、位移或所受的扭矩。

箔應(yīng)變計具有一些明顯的優(yōu)點，例如：體積較小，具有多種測量模式和溫度補償功能。這種應(yīng)變計生產(chǎn)成本低，安裝方式靈活，既可安裝在平坦、彎曲或有槽的表面，也可安裝在內(nèi)孔的表面，因而適合各種創(chuàng)新性的設(shè)計要求，這是目前應(yīng)用最為廣泛的選擇。

微電機系統(tǒng)（MEMS）是該領(lǐng)域的最新技術(shù)。MEMS為蝕刻成梁柱形、隔膜形或板形的微型硅元件，可在測壓元件內(nèi)發(fā)揮傳感器的功能。與集成電路的制造工藝類似，MEMS也是通過整體和表面微加工技術(shù)制成。MEMS可以大批量生產(chǎn)，因為可以在有集成電路的單晶片上加工數(shù)以千計的傳感器元件。盡管這種傳感器能夠以極低的成本（低至幾美元）大批量生產(chǎn)，但與箔應(yīng)變計相比，其應(yīng)用范圍仍很有限。MEMS在醫(yī)療領(lǐng)域最常用于那些成本低、產(chǎn)量大（數(shù)百萬以上）的一次性產(chǎn)品中，例如：一次性血壓傳感器和用于測量球囊導(dǎo)管壓力的血管成形裝置。

由工業(yè)進入醫(yī)療行業(yè)

大多數(shù)情況下，尺寸和成本是產(chǎn)品從普通工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)入醫(yī)療行業(yè)過程中的最大問題。產(chǎn)品轉(zhuǎn)化時其量程和可靠性等基本技術(shù)特點并未改變，但醫(yī)療行業(yè)一般需要測量盎司、克和毫克級的負荷，而工業(yè)環(huán)境下，負荷一般以磅、千牛頓或噸為單位。唯一例外的是理療康復(fù)器械，這種器械通常使用標準尺寸的測壓傳感器。

所有醫(yī)用測壓傳感器都必須高度精確并緊湊包裝，以便輕便易攜，特別是器械要與病人直接連接時。如果傳感器用于某醫(yī)療器械集成的監(jiān)測儀器內(nèi)，要使用不銹鋼和陽極化鋁等標準包裝材料。如果設(shè)備與人體或液體直接接觸，則可使用可高壓蒸汽滅菌的特種不銹鋼或一次性傳感器。

醫(yī)用測壓傳感器早期曾用于力學測量等領(lǐng)域，如病床負重監(jiān)測。20世紀80年代早期之前，護士必須親自測量病人的體重，跟蹤明顯波動。在病床上安裝測壓傳感器后，病床可有效地將病人的準確體重傳輸?shù)绞殖质皆O(shè)備上。每張病床一般安裝4個測壓傳感器，每條床腿下一個，這些傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c相關(guān)設(shè)備或控制器連接的接線盒內(nèi)。

不久以后，人們將小型測壓傳感器應(yīng)用到容易發(fā)生人為錯誤的領(lǐng)域，例如：用于給藥的輸液泵。以往，人們將液體、藥物或營養(yǎng)液裝到輸液袋中，懸掛起來，使液體通過軟管依靠重力輸入病人體內(nèi)。為了盡可能精確地調(diào)節(jié)流速，人們使用了各種鉗夾方法。另外，護士還要頻繁地監(jiān)測輸液，確保輸液正確，輸液袋內(nèi)液體尚未流盡，而且未發(fā)生回血。將測壓傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)引入簡易輸液設(shè)備中，省卻了主觀判斷的過程。測壓傳感器可準確測量輸液袋的重量，當液體重量于預(yù)先設(shè)定值不同時，傳感器會立即向連接的設(shè)備發(fā)出警告信息。通常，小型彎梁測壓傳感器（量程100g至1lb）？安裝在軟管下的儲液器上。傳感器可檢測輸液期間的導(dǎo)管重量變化，并與電子控制器進行數(shù)據(jù)通信。

將測壓傳感器與以往單純的機械技術(shù)結(jié)合，可以將信息反饋給其他設(shè)備。將自動化引入許多醫(yī)療領(lǐng)域中，可以減少操作中的人為錯誤。測壓傳感器提供的數(shù)據(jù)被永久記錄下來，這樣也可大大改進醫(yī)療過程的跟蹤記錄，便于責任確認。

應(yīng)用實例

現(xiàn)在，理療器械的測壓傳感器直徑僅3–4英寸，最小的還不到半英寸。量程從幾毫克到幾百磅，不受測壓傳感器尺寸的影響。即使最小的測壓傳感器也具有與較大傳感器相同的量程、精度和重復(fù)性。傳感器尺寸小到一定程度時，確實會限制其量程，但多數(shù)醫(yī)療應(yīng)用都不需要用到大型測壓傳感器的重量量程。

半導(dǎo)體和電路設(shè)備先進的計算機自動化、 無線連接以及不斷減小的體積和不斷增強的功能，大大擴展了測壓傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。此前提到的輸液技術(shù)和病床負重測量方法應(yīng)用仍很廣泛，但隨著集成自動化設(shè)備的使用，這些應(yīng)用變得更為復(fù)雜了（見圖1）。

圖1. 許多醫(yī)療領(lǐng)域使用了傳感器技術(shù)。

醫(yī)用測壓傳感器目前用于各種精細的液體監(jiān)測領(lǐng)域中，例如：輸血、腎透析和獻血。在這些應(yīng)用中，測壓傳感器可確保進入體內(nèi)、排出體外或者置換的液體量正確，并且按照正確的時間、劑量或比例，開始和停止輸送，或者進行再循環(huán)。與以往的手動監(jiān)測相比，現(xiàn)在醫(yī)生和護士能夠監(jiān)測的病人數(shù)量都大大增加。

腎透析：一般的腎透析設(shè)備要靠一個或多個測壓傳感器，確保過濾系統(tǒng)絕對平衡并且按時運轉(zhuǎn)。透析設(shè)備必須排出污染的血液，進行血液凈化，然后將凈化后、再氧合的血液重新回輸?shù)讲∪梭w內(nèi)。任何設(shè)備故障都會造成災(zāi)難性的后果。此類設(shè)備通常采用小型測壓傳感器，通過檢測懸掛輸液袋的重量，監(jiān)測透析的流速，確保整個透析過程的安全。

這屬于無創(chuàng)性測量法，因為體液不直接接觸傳感器部件。透析器通常使用稱為S-beam Jr.的測壓傳感器，它具有5–10lb的量程和1000%的過載保護，與1元硬幣大小接近。這種傳感器連接在懸掛輸液袋的末端，輸液袋通過兩根軟管與透析器相連。一根導(dǎo)管用于液體輸入，另一根用于排出。有些透析設(shè)備使用多個輸液袋，因此需要多個測壓傳感器。每個傳感器均與可編程邏輯控制器或計算機相連，通過重量測量監(jiān)測流量。利用測壓傳感器提供的信息，透析器可自動執(zhí)行和控制透析過程，同時采集數(shù)據(jù)，必要時進一步分析。

內(nèi)鏡手術(shù)：內(nèi)鏡是另一個常采用測壓傳感器技術(shù)的特殊領(lǐng)域。在內(nèi)鏡手術(shù)中，器械壓力極為關(guān)鍵，切口深度必須極為準確。測壓傳感器可監(jiān)測這些器械對組織的作用力，從而大大提高手術(shù)的準確性。

開發(fā)內(nèi)鏡工具時，在工具前端裝上外徑約3/8英寸以下的小型紐扣式測壓傳感器，可減小工具穿刺時所需的力，改進工具設(shè)計。傳感器量程為50–100lb，可將所需的力從以前的75lb降低至約25lb以下。力的減小表示醫(yī)生只需使用較小的力，病人遭受的疼痛也較輕。

在這些工具的最終生產(chǎn)過程中，封裝尺寸極?。ㄒ话銥?.4mm）的MEMS傳感器被整合到工具內(nèi)部，幫助醫(yī)生監(jiān)測和控制實際手術(shù)中的穿孔和穿刺力。這樣可避免用力過大，還可采集數(shù)據(jù)，必要時進一步分析。

康復(fù)治療：大型測壓傳感器（2–4英寸）可用于理療設(shè)備中，監(jiān)測肌肉恢復(fù)情況。這些傳感器一般集成在手持式設(shè)備中，監(jiān)測外傷、關(guān)節(jié)炎或中風患者的康復(fù)進程。

拉力設(shè)備也可通過同樣的原理監(jiān)測腿部對某物體表面的推力和牽引力。與握力或拉力設(shè)備相連的測壓傳感器可顯示受損肌肉的確切變化，以及每個療程結(jié)束后的改善情況。這樣，理療師就能根據(jù)病人的需要制定合適的治療種類。這些傳感器直徑為1至4英寸，量程為50–1000lb。為此，人們設(shè)計了許多不同構(gòu)造的設(shè)備，但這些設(shè)備都有兩個共同點：病人對某物體施加作用力，物體與測壓傳感器相連，傳感器將測得的結(jié)果發(fā)送到數(shù)字顯示裝置或計算機上。計算機隨后將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，以便準確、實時顯示結(jié)果。

矯形外科：將極小型平板式或紐扣式測壓傳感器植入鞋跟內(nèi)，并與頭戴式無線電設(shè)備相連。當使用者走路姿勢正確、能夠保持平衡時，測壓傳感器可啟動無線電設(shè)備，播放音樂。如果患者步態(tài)不正確，身體不平衡，無線電設(shè)備會停止播放音樂，這樣即可糾正錯誤的步態(tài)和行走方式。

監(jiān)測MRI運動：為了控制或監(jiān)測磁共振成像（MRI）期間病人的運動，可使用特殊的手握式測壓傳感器，監(jiān)測病人運動和力量衰減。監(jiān)測結(jié)果還可提示病人是否意識喪失。開發(fā)可用于MRI環(huán)境中的特殊、非磁性測壓傳感器，需要使用特殊的制造工藝和材料。

早產(chǎn)監(jiān)測：測壓傳感器還可用于監(jiān)測孕期不規(guī)則的壓力變化，預(yù)防早產(chǎn)缺陷。一種集成了彎梁測壓傳感器的設(shè)備可監(jiān)測這種壓力變化。該設(shè)備由一條特制腰帶組成，可纏繞在妊娠婦女的腹部。腰帶上裝有微處理器控制器、測壓傳感器和調(diào)制解調(diào)器。設(shè)備檢測到壓力不規(guī)則時，可通過無線調(diào)制解調(diào)器呼叫護理中心，提醒婦產(chǎn)科醫(yī)生這種子宮壓力變化是否需要緊急處理。

前沿應(yīng)用

微型測壓傳感器：測壓傳感器可通過各種方式用于膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換的研發(fā)和手術(shù)過程中。在手術(shù)過程中，可通過小型的定制式S形剪切梁測壓傳感器，測量肌腱和韌帶的扭力。此外，定制鉗夾式軟組織測壓傳感器可準確測量伸膝裝置的術(shù)中作用力。人造髕韌帶等植入物開發(fā)時，用于研發(fā)的定制式測壓傳感器，也可用于植入物內(nèi)，測量韌帶的拉力（見圖2）。

圖2. 假肢中所用的傳感器可測量腳、腿、腳趾或手指的力量。

膝關(guān)節(jié)植入物中直接使用的測壓傳感器包括植入式膝關(guān)節(jié)模擬器以及膝關(guān)節(jié)和脛骨模擬器，前者可測量髕骨植入物受到的關(guān)節(jié)作用力。該裝置可與試驗用膝關(guān)節(jié)植入物連接，測量脛骨和股骨間的負荷。對髕股關(guān)節(jié)的負荷平衡進行評估，有助于平衡各軟組織結(jié)構(gòu)的負荷、對植入物進行精確定位，改善膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。

測壓傳感器的微型化有助于牙科研究人員和設(shè)備制造商確定各種條件下各顆牙齒的咬合力度。這樣，研究人員就能改進牙科工作中所用的材料以及托牙和牙假體。一種小型的50lb應(yīng)變計測壓傳感器，或者每顆牙齒下均裝有傳感器的一套定制式托牙，可將相關(guān)信息傳輸?shù)綌?shù)字顯示裝置或遠程數(shù)據(jù)采集設(shè)備中。牙科技術(shù)人員可利用這些信息準確了解患者頜骨和牙齒的位置和壓力點，設(shè)計對合良好、咬合正常的齒列。

扁平和多部件測壓傳感器：人工關(guān)節(jié)和機械假肢制造商從普通工業(yè)質(zhì)控流程中借鑒了這種技術(shù)。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)模擬器中使用了多個扁平形測壓傳感器，可同時對多個關(guān)節(jié)進行摩擦和磨損測試，確定器械的耐久性和平均無故障使用時間，以便開發(fā)出更堅固、更靈活的設(shè)備，達到終生無故障使用的目的。

桿端測壓傳感器：假肢在幫助殘疾人移動中起到了十分重要的作用。但是，由于沒有肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)，許多功能都很受限。制造商正在使用特殊的桿端測壓傳感器對力進行監(jiān)測和顯示，研究如何將這些數(shù)據(jù)傳送到病人的腦內(nèi)，從而建立一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

展望

微型化和自動化正在從根本上改變醫(yī)用測壓傳感器的應(yīng)用情況，尤其是在受惠于自動化的外科手術(shù)領(lǐng)域。隨著自動手術(shù)器械的日趨精密，測壓傳感器將有助于開發(fā)出更經(jīng)濟高效、更精密的自動化手術(shù)技術(shù)。其中一個方法就是在這些自動機械上增加觸覺功能。各種尺寸、形狀和量程不同的測壓傳感器使這些進步得以實現(xiàn)。將來，測壓傳感器將逐步微型化和智能化，并具有互換性和通信功能，從而使自動機械具有與人類觸覺相同甚至更為出色的感知能力。該技術(shù)將拓展外科手術(shù)的應(yīng)用范圍，同時降低總體成本，挽救更多生命。

測壓傳感器也將用于各種預(yù)防性醫(yī)療器械中。目前，人們已經(jīng)利用微型測壓傳感器糾正一些不良習慣和預(yù)防損傷。簡單的做法例如將測壓傳感器安裝在高爾夫裝備袋或力量訓(xùn)練設(shè)備上，避免過度提拉損傷。復(fù)雜的應(yīng)用例如在自動控制假肢上使用多個微型測壓傳感器，使患者的腳趾和手指能夠感知壓力，并將數(shù)據(jù)傳輸給大腦，及時做出反應(yīng)。

以今天的技術(shù)發(fā)展速度，再過10年，普通的測壓傳感器將會成為各種醫(yī)療操作中新技術(shù)探索的關(guān)鍵，將目前只能想像的技術(shù)化為現(xiàn)實。

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