醫療器械中的靈活性設計

【?2013-06-04 發布?】　美迪醫訊

在醫療器械設計中，靈活性好的零部件能夠降低成本、加速上市、減少裝配時間以及簡化供應鏈。如果有一個產品平臺能夠提供各種選件，那么醫療器械設計人員就能夠快速地選擇滿足其應用要求的產品，而不必花費高昂的成本去定制。

霍尼韋爾傳感與控制部已經對其傳感器產品線進行了平臺化處理，能夠滿足設計團隊快速開發樣品、更改設計以及生產的要求。通過迅速提供多種選件及零部件，我們能夠幫助設計人員以最低的成本設計產品，并及時上市。

這些基于平臺化設計的傳感器能夠用于大多數應用場合，并可在軟件中對其進行微調。這些傳感器具有多種端口類型、安裝類型、電壓及輸出模式（數字或模擬）供用戶選擇。因此醫療器械工程師可簡單快速地更改其產品設計和規格而不必重新設計，避免了產品發布延遲和成本增加等問題。

產品線平臺化處理能夠滿足醫療器械設計的多種特殊性能要求，包括產品尺寸和外形、制造工藝以及與傳感器連接的其它電子設備等。此外，構成傳感器平臺的各種構建模塊從初始階段就經過了驗證，確保了產品優質、可靠。

當評估不同種類的傳感器時，不論是壓力、氣流還是觸力傳感器，設計人員都需要關注正確的問題。例如，傳感器產品系列能夠提供哪些種類？產品線提供的產品是否可在全球范圍內使用？傳感器是否經過驗證和校準？能否快速提供不同的配置？這些問題可確保您根據設備的性能和上市時間要求選擇最佳的傳感器。

在下列六個連載的博文中，我將討論使用平臺進行產品研發是如何使各種醫療器械應用受益的，這些應用包括呼吸機及麻醉系統、透析儀、眼外科手術、傷口治療、注射泵以及分析儀器等。通過該平臺，醫療器械設計人員能夠在多種應用中輕易地獲得滿足其要求的定制傳感器。

標題：靈活的傳感器設計對呼吸機及麻醉系統研發人員的好處

通過靈活設計氣流和壓力傳感器，麻醉機及呼吸機制造商能夠簡化產品制造、維護及產品使用培訓過程。傳感裝置的平臺化處理為客戶提供了數千種選擇以滿足其不同的封裝形式、外形及尺寸要求。另外，它還能夠讓設計人員在不同的產品線內使用同一種基礎型傳感器設計。例如，新生兒呼吸機和成人呼吸機就可以使用同一種基礎型傳感器進行設計，只需在校準上稍作改變即可。

在任何類型呼吸機的設計過程中，一個主要的挑戰就是由不同制造商提供的不同種類的空氣泵的運用。這意味著每種設備的同一輸出實際上會有所差異，因此需要靈活的傳感器性能。此外，每種設備的氣流通道尺寸和長度也會有所不同，這將影響到封裝要求以及感測氣流。

麻醉機用于將藥物輸送至病人體內，讓病人感覺不到醫療過程中的不適或降低和消除病人的疼痛。在麻醉機應用中，氣體質量流量傳感器用于測量空氣、氧氣及一氧化二氮氣體流，從而將規定量的氣體輸送至病人體內。同樣地，呼吸機則是用于將空氣和氧氣的混合氣體輸入和抽出病人的肺部，幫助病人呼吸。測量空氣和氧氣流的氣體質量流量傳感器需要能夠比較容易地進行校準，確保輸入病人體內的氧氣量是準確的。傳感器還要具有調整和校準的能力，以便測量出精確的流量。

氣體質量流量傳感器，如霍尼韋爾傳感與控制部的Zephyr? HAF系列傳感器，具有寬廣的氣流測量范圍，設計人員可選擇其中一部分來優化應用的整體性能。HAF系列產品采用模塊化搭建設計，能夠在軟件中進行微調校準，使得設計人員可以根據具體設計縮放氣流測量范圍（+/ - 50 SCCM到200 SLPM）。這一功能是非常重要的，因為呼吸機等呼吸設備經常會為了實現不同功能而使用多個氣體質量流量傳感器，這些功能的實現需要傳感器有不同的氣流范圍和靈敏度。

在麻醉機上使用電路板安裝型和不銹鋼介質隔離型壓力傳感器同樣可實現類似的好處，這些傳感器可用于測量空氣和氧氣壓力，確保壓力不會大于設定限度。這些傳感器需要具有高精確度和穩定性，以確保讀數精確且不會隨時間變化而改變，并減少錯誤的發生。呼吸機同樣使用了多個電路板板安裝型低壓傳感器，可用來測量病人吸入或呼出的空氣和氧氣壓力，保證壓力不會大于設定水平。這些傳感器需要具有高穩定性和高精度以確保每次測量的可重復性及可靠性，提高了病人的安全性。

電路板安裝型壓力傳感器，如霍尼韋爾TruStability? HSC/SSC系列傳感器，為用戶提供了多種選擇，包括封裝形式、安裝方式、電源、信號輸出模式以及在產品平臺上可實現的自定義校準功能，簡化了產品制造及供應鏈。

TruStability傳感器平臺能夠提供具有高穩定性和高精確度的傳感器，這些傳感器的壓力測量范圍為+/-1inH2O到150 psi，并具有兩種總誤差（+/-1%或+/-2%）。此外，這些傳感器還經過了充分的補償、校準和放大，使用起來非常簡單，縮短了設計時間，降低了成本，增加了可靠性。

產品要針對全球市場進行設計是另一個需要考慮的重要因素。在不同的國家，呼吸設備的設計可能完全不同。這就導致了基于世界地區而不同的大量的封裝要求。靈活性強的傳感器應能夠提供多種封裝選項，既可滿足常用于發達地區的集成歧管設計，又可滿足常用于發展中地區的包含許多導管與接線的陳舊設計。

標題：透析機——溫度控制與壓力檢測的結合

在透析機中，溫度控制解決方案與壓力傳感器緊密合作，精確地向病人輸入與其身體同等溫度的透析液，這對病人的安全是至關重要的。從一家零部件制造商選擇柔性加熱器及壓力傳感器而非從多個供應商處選擇多種溫控產品及傳感器，可以有效簡化產品制造和供應鏈。同時，從一家制造商選購產品還能夠簡化產品裝配，縮短設計時間，使設計人員能夠空閑出來以進行其它系統的工作。此外，通過供應滿足合規要求的完整組件，制造商還能夠為產品系統認證提供幫助。

在血液或透析液再次被輸入病人體內以前，加熱器會將血液或透析液加熱到與病人身體同等的溫度。加熱器需要精確地控制透析液的溫度，電路板安裝型壓力傳感器則控制著流入和流出病人身體的透析液的流速。它們需要在不影響液體流動的前提下實現對透析液和靜脈血壓的測量。

采用結合溫度傳感器和溫控器設計的柔性加熱器應具有多種加熱技術及材料，這對其用于不同種類的透析機是非常重要的。透析機設計中常要求使用不同尺寸和溫度的加熱器，會影響到加熱器所需的溫度控制類型。

例如，霍尼韋爾傳感與控制部的柔性加熱器采用熱交換（恒溫槽）或加熱板直接加熱技術來控制熱量。此外，該加熱器還集成了溫度傳感元件和溫控器。

為了更高的應用靈活性，霍尼韋爾的加熱器提供了多種尺寸、功率、安裝選項、溫度監測及溫度控制功能供您選擇。此外，它還提供有多種配置（扁平型，螺旋型，透明型，組合型及高溫型）和制造材料（硅、聚酰亞胺、聚酯銦錫氧化物以及其它電介質）。

在透析治療中，精準地測量透析液和靜脈壓力對病人的安全是至關重要的。壓力傳感器需要準確地監測透析液和血流壓力，以將壓力維持在預定范圍內，確保不會出現壓力過高或過低的情況，否則將會引起血管破裂或輸液管內出現氣泡。

獲得準確、精確及較好的系統變化響應時間的最佳方法是將感測元件放置在離液體盡可能近的地方。這就要求壓力傳感器通過液體介質兼容性來消除設計的復雜性，節省用于保護傳感器的成本。

例如，霍尼韋爾的TruStability HSC/SSC電路板安裝型壓力傳感器和26PC直通式壓力傳感器能夠直接與液體接觸，并提供多種不同接口和封裝設計，使得透析機制造商可以將傳感器與液流相連接。在為病人做透析治療時，由于它們能夠直接與液體介質相接觸，所以能夠快速地提供透析液壓力反饋。

另外，壓力傳感器還應當具有多種安裝選項以適應各種應用。例如，通過提供電纜組件，傳感器平臺能夠適應遠端安裝應用以及受限空間應用等。這使得設計人員能夠將傳感器安裝在正確的位置，實現準確和精密的測量。

標題：眼外科手術——傳感器是怎樣幫助外科醫生的

密封是在白內障或青光眼等眼科手術過程中需要注意的最大問題之一。手術過程需要很精準地對眼睛或眼壓進行監測和控制。例如，在治療難治的青光眼時，手術裝置必須聚焦于眼睛上，要在非常低的壓力狀態下高度精確地測量氣流和空氣壓力，對空氣泄漏進行檢測，從而有效地避免對敏感的眼部組織造成任何傷害。

在眼外科手術應用中，傳感器具備將氣流或壓力縮放到一定量程的能力非常關鍵。通過平臺化處理，傳感器制造商能夠迅速地縮放傳感器流量測量范圍，實現設計人員的自定義應用。

維持眼壓的壓力泵集成了氣流和壓力傳感器，這些傳感器對保證病人的安全是非常關鍵的。氣體質量流量傳感器用于控制空氣壓力，而壓力傳感器則用作安全閥。

用戶可以自定義所需壓力量程，這也將便于制造商將其設計成自己的產品。例如，霍尼韋爾傳感與控制部的Zephyr? HAF系列氣體質量流量傳感器可提供從+/- 50 SCCM到+/- 750 SCCM的氣流量程，使得設計人員能夠選擇合適的傳感器來優化應用的整體性能。此外，它還允許設計人員將同一基礎型傳感器集成到多種設計中。

在手術中，壓力傳感器需要維持精確的壓力并抑制吸入壓力損失，從而避免對病人眼睛造成任何傷害。當用作安全閥或用于視網膜手術時，霍尼韋爾TruStability?電路板安裝型壓力傳感器能夠提供應用所需的高靈敏度和精度。這些電路板安裝型壓阻式硅傳感器能夠提供非常高的精度，可達到滿刻度量程的+/-0.25%（最佳擬合直線的誤差為+/-0.25% FSS）。

通過提供壓力范圍自定義（+/- 1 inH2O到150 psi）、多種連接選項、校準、放大及溫度補償等功能，這些壓力傳感器可很容易地被設計到不同的產品中去，從而使產品成本更低，上市時間更快，裝配時間更短。

標題：傷口治療——使用壓力傳感器測量真空度

在病人負壓傷口治療過程中，壓力傳感器用于控制壓力。許多設計人員面對的一個關鍵挑戰是傷口治療設備要用于不同危急程度的護理環境，這將影響到對零部件的要求。例如，醫院中使用的傷口治療設備需要準確地測量真空度，而在家庭護理設備中，真空度測量就沒有那么關鍵，通常只需要提供預設壓力功能即可。但無論是何種情況，確保傷口上施加了適量的真空度是十分重要的。

隨著老年人口對家庭醫療護理設備需求的增加，提供家庭醫療護理設備已經變得越來越重要，但同時還要提供醫院護理用的高質量設備，這就要求傳感器產品平臺具有足夠的靈活性，能夠同時生產出急救護理設備和家庭護理設備。這樣有利于簡化產品制造、裝配以及供應鏈等。

例如，負壓（真空）傷口治療泵通過在密封傷口處施加負壓將血液和易傳染物等液體移除，可有效加速病人傷口的愈合。在傷口處施加合適的真空度是非常重要的，可確保傷口或手術縫合線不會裂開，并為傷口的愈合提供最優的干燥度。

在這些真空泵中，壓力傳感器用于測量真空度或負壓值，而非正空氣壓力。通過使用平臺化處理方式，醫療器械制造商能夠在多種傷口護理產品中使用同一基礎型傳感器，設計人員能夠縮放傳感器的輸出范圍，以精確滿足應用要求。在高度靈活的產品平臺上，傳感器可根據個別用戶要求進行校準。

這些傳感器還需要能夠耐受某些液體物質。傳感器要盡可能地放置在離液體（血液、易傳染物質、生理鹽水等）近的地方，以確保最精確的測量，此外傳感器還應該易于清洗。

電路板安裝型壓力傳感器（如霍尼韋爾傳感與控制部的TruStability?系列）進行了充分的放大、補償和校準，并且具有可擴展性和液體介質兼容性，因此能夠很好地適應這種應用。它能夠提供校準范圍自定義、液體介質兼容性以及多種輸出方式、壓力類型、壓力范圍、安裝選項及封裝類型等，使得傳感器平臺能夠用于各種產品線中。

成本同樣是一個問題。因為有大量醫用以及家用的傷口護理產品類型，所以傳感器制造商需要提供具有同等質量和可靠性的低成本及小型化解決方案。

例如，霍尼韋爾的NBP系列基本型電路板安裝壓力傳感器在保持成本效益的同時采用了獨立的構建模塊設計。這些傳感器提供了各種封裝形式、壓力范圍、外殼以及端口選項，能夠很容易地集成到醫療器械制造商的應用中。相比于TruStability系列產品，雖然這些傳感器的成本和性能都要低一些，但它們與霍尼韋爾的其它傳感器產品一樣，都是按照六西格瑪標準設計的。NBP系列傳感器具有小至7 mmx7 mm的緊湊的封裝尺寸，能夠滿足便攜式家庭醫療護理產品空間受限的要求。

標題：注射泵中觸力和壓力傳感器的三個關鍵因素

注射泵用于將藥物通過靜脈注射輸入到病人體內。在選擇注射泵的觸力和壓力傳感器時需要考慮三個關鍵因素，即可靠性、靈敏度和小型化。隨著注射泵由傳統型向便攜式、移動式及植入式設備方向發展，其精度更高，功能也更加多樣。設計人員應考慮能夠提供大量選擇的傳感器平臺，從而使傳感器能夠更容易地應用到各類設計中去。

設計人員還要注意壓力傳感器需要經過充分的補償、放大和校準，從而能夠更快的使用這些傳感器。這種傳感器具有更低的總成本、更高的可靠性及更快的產品上市速度等優勢。

觸力和壓力傳感器必須具有高可靠性和高靈敏度，以確保向病人注射合適劑量的藥物。注射泵內部使用的是電路板安裝型壓力傳感器，用于監測和控制液體流量；同時其外部使用的是觸力傳感器，用于測量注射藥物的輸液管的觸力。觸力傳感器能夠檢測出注射泵管路是否阻塞，并在其不能輸送藥物時發出聲音警報。

霍尼韋爾傳感與控制部的TruStability?板安裝型壓力傳感器采用模塊化和靈活性設計，使得注射泵制造商能夠在多種應用中使用單一傳感器模型。傳感器產品平臺提供了自定義校準以及多種輸出形式、電源、壓力、安裝和封裝選項等，增加了設計的靈活性。

The TruStability sensors provide stable performance with low drift over time, allowing for accurate pressure monitoring of the fluid flow to maintain the right pressure. The sensors offer a flexible pressure range from +/- 1 inch of water to 150 psi.

TruStability傳感器具有低時漂等穩定性能，能夠精確監測流體壓力，以使流體保持適當壓力。該傳感器可提供+/- 1inH2O到150 psi的壓力范圍。

觸力傳感器特也能夠從產品的平臺化處理中受益。例如，霍尼韋爾的觸力傳感器使用了與壓力傳感器相同的感測元件，即傳感器設計中最小的構建模塊。通過在觸力和壓力傳感器中對感測元件進行驗證，霍尼韋爾能夠在量程范圍內迅速地縮放觸力傳感器的測量范圍，同時提供制造靈活性以滿足需求激增以及快速樣品研發的要求。

霍尼韋爾1865、FSS、FSG和FS01/FS03系列觸力傳感器可提供多種選項，如提供多種封裝形式，以適應傳感器與注射泵管路的各種連接方式。這些傳感器采用了壓阻技術，能夠以較小的封裝尺寸精確可靠地感測觸力。傳感器對觸力變化的高靈敏度能夠使其及時發現阻塞現象，提高了病人的安全性。

觸力傳感器，特別是當用于注射泵和透析機時，在封裝形式方面具有很高的靈活性。例如，霍尼韋爾為其FSS觸力傳感器產品線增加了翼型引腳，使得醫療器械制造商能夠將通孔安裝設計改為表面貼裝設計，消除了手焊操作，簡化了生產工藝。

同時，通過提供更小尺寸的傳感器，如FSS觸力傳感器，設計人員能夠將其很容易地集成到空間受限的注射泵中。該類傳感器具有小尺寸和低功耗等特性，增加了注射泵或胰島素泵的便攜性，改善了病人的生活質量。另外，傳感器還具有將量程縮放到不同壓力范圍的功能，如FS01型傳感器為0到1.5磅觸力，FS03型傳感器為0到3磅觸力。通過將量程縮放功能與上述小尺寸選擇性相結合，傳感器能夠在多種量程范圍內提供很高的靈活性。

另外，霍尼韋爾觸力傳感器還提供有可修改的產品設計，這使得傳感器設計更容易。這些傳感器具有多種輸出形式、安裝選項、封裝形式、操作力范圍及靈敏度等。

標題：分析儀器的高靈敏度和可重復性要求

血液分析儀及氣相色譜儀等分析儀器要求能夠精確測量以相同體積和速度重復流過系統的液體，保證分析的準確性。在這些應用中，壓力和氣體質量流量傳感器對精確度、重復精度及準確度的要求非常高。選擇具有自定義氣流和壓力量程校準、多種安裝方式、尺寸及封裝選項的傳感器能夠使醫療器械設計人員在多種應用中使用相同的基礎型傳感器，從而實現更低的成本，更快的制造速度和簡化的供應鏈。

除了要在低壓時提供高精度和高可重復性外，壓力傳感器還必須能夠承受沖洗或清洗時的高壓。同時，這也意味著不管是用于血液分析儀（調節泵系統壓力以抽取和輸送采樣樣本），還是用于氣相色譜儀（控制氣流，維持精確的流量），壓力傳感器必須能夠與不同的液體兼容。

例如，霍尼韋爾傳感與控制部的TruStability?電路板安裝型壓力傳感器在低壓時具有很高的穩定性和精度，能夠重復精確地測量壓力，確保準確的樣本體積以及較快的循環周期。TruStability傳感器與多種介質兼容，可直接用于流體通道上。TruStability傳感器還提供一系列壓力、接線、校準及流體介質兼容性等選項。這些傳感器都經過了充分的補償、校準和放大，易于應用，同時也增強了產品的可靠性。

霍尼韋爾的24PC系列（沒有經過放大和補償）和26PC系列（沒有經過放大，但經過溫度補償和校準）壓力傳感器是專為在液體介質中使用而設計的，具有多種端口選項（包括應用于多種設備的流通式），因此廣泛應用于分析儀器中。

通過提供一系列匹配連接（端口選項）、封裝形式（DIP、SIP、表面貼裝）以及輸出模式（模擬或數字）選項，壓力傳感器應能夠很容易地被集成到任意產品設計中去。設計人員選擇的所有標準選件和配置應經過預驗證，這將顯著加快產品的研發和制造。

氣體質量流量傳感器要具有足夠的靈敏度和精度來檢測小型氣流，此外，該傳感器還應使氣流能夠平穩地流過設備。例如，用于分離和分析樣本組成的氣相色譜分析就需要精確地控制在一段時間內的氣體流速，以保證穩定和可重復的測試結果。

例如，霍尼韋爾Zephyr? HAF系列空氣傳感器具有2.5%的高精度，能夠在分析儀器中精確地測量氣流。由于其能夠測量+/- 50 SCCM到200 SLPM范圍內的氣流，因此設計人員能夠選擇氣體質量流量傳感器來優化應用的總體性能。平臺化處理使得設計人員能夠在軟件中對傳感器進行微調校準，因此設計人員可以針對每個設備設計縮放氣流量程范圍。此外，它還能夠讓設計人員在多個應用中使用相同的傳感器平臺。

Zephyr傳感器采用模塊化和靈活性設計，為醫療器械制造商提供了多種封裝形式，能夠滿足設計人員的特定要求，節約了時間和成本。