当今医疗设备设计师的终极挑战是什么

作者：霍尼韦尔传感与控制部全球产品经理 Jacqueline Leff、Rick Ercolano　　“宁为太平犬，莫作离乱人”这句话准确地描述了当下医疗设备设计工程师们的处境，瞬息万变的市场发展市场发展使他们面临前所未有的机遇和挑战，其中最紧迫的就是创造紧跟微型化设计潮流的医疗设备传感器元件。微型化是目前从简单的血压监护仪到复杂的人工心肺机几乎所有医疗设备的主流发展趋势。
　　

张峰

2020-8-26 16:27:47

本文重点阐述了开发经济高效的紧凑型传感解决方案的设计策略——传感解决方案是为医疗设备提供有关患者状况或治疗的真实数据的关键。接下来我们将通过几个医院中常见的场景，来说明设计师们是如何利用最新的传感技术来设计外型紧凑、成本低廉、同时又具有出色性能、盈利性和安全性的医疗设备。每个案例都包含一些关于如何选择元器件的简单窍门，以及最适合相关应用的产品范例。

　　

　　图1：输液泵等现代医疗设备需要符合严格医用材料安全标准的紧凑型传感器
　　为什么结构紧凑携带方便如此重要
　　追求外型更小巧、便携性更高的医疗设备的浪潮几乎影响着现代医疗护理的所有方面，其中患者运送、吸氧和门急诊这一类应用受到的影响尤其显著，因为设备越小巧，就越方便使用，越能及时地挽救生命。例如，质量轻的紧凑型患者监护仪和支持设备能够确保医疗小组立即为患者提供高质量的医疗服务，使以前只能在手术室和ICU病房才能执行的治疗和护理在当地诊所、事故现场救护设施甚至是救护车和医疗直升机上也能成功实施。
　　体积较小的呼吸器、输液泵（图1）和生命体征兆监测仪同样也能帮助医院提高病房和ICU病房护理质量。此外在手术室中，紧凑型监护仪、输液泵与抽吸设备也使术前洗擦消毒小组拥有更大空间，更轻松地接触患者和操作监测仪、生命支持及治疗设备。
　　节约空间的设计还增强了产品的便携性，允许医护人员快速、方便地在患者之间移动设备，高度便携的装置能够迅速部署到分秒必争的急救现场。另外，便携性还可使患者在住院期间更灵活的运动，让他们获得更大的自主权和舒适感，这对于加速患者康复大有好处。最后，高便携性可以帮助医护工作管理者更高效地利用医院的资产，创造更健康的医护环境。
　　小型医疗设备的种种优势已经使可靠且易于使用的健康监测走进了寻常百姓的家庭护理，并将在患者医疗服务从医院向家庭转移的过程中发挥关键作用——在私立医疗保险公司和美国***最新颁布实施的《平价医疗法案》（Affordable Care Act）的推动下，这一转移进程将逐步加快。因此，有远见的医疗设备制造商已经着手开发能够提供高质量家庭医疗护理的新产品。
　　新传感器选件使紧凑型设计成为现实
　　但直到近期，在实现微型化和更高便携性的道路上，传感器的发展还有很大空间，这种机械/模拟元件的发展速度远远跟不上笔记本电脑、平板电脑、游戏机和其他消费产品中的数字化计算、显示和通信技术的发展。而现在，依托小型传感器和最新技术，设计工程师已经可以缩小设备尺寸并降低成本。
　　随着新型小巧传感器的部署，以及广泛的小型封装和安装选件的跟进，设备微型化的进程开始启动。其他领域中，新型解决方案通过将多个传感器元件集成到一个封装中，帮助设计师实现了更大的空间节约。这一先进的集成技术使传感器可以布置在小型外科设备和其他应用中，将过去的不可能变为如今的现实。
　　拥有机械接口、安装、封装和I/O等众多选件的传感器平台赋予了医疗设备设计师空前的自由。例如，压力传感器提供了对配连接（端口型）、封装（DIP、SIP、表面安装）与输出（模拟或数字）多种选项，从而能够满足应用严格的功能、成本和空间要求（图2）。
　　

图2：霍尼韦尔传感与控制部的NBP系列基础型电路板安装型压力传感器可安装在空间有限的印刷电路板上或小型设备中
　　电路板安装型传感器凭借多种优势，成为医疗设备和工业设计中最受欢迎的空间节约组件之一。例如，在用于测量流体压力或流量的传感器中，电路板安装型封装能够把传感元件牢固固定在印刷电路板（PCB）上，使之尽可能靠近患者和/或液体介质（如血液、化学物质或水）。
　　这在某些应用中尤为重要。例如血液透析机要求精准测量透析液和静脉压力，以确保患者在治疗期间安全、舒适。精确测量流体压力和血压，有助于消除过高压力或过低压力、避免血管破裂或透析管路中出现气泡。对于这种类型的应用，电路板安装型传感器支持极端的工作距离，实现高准确度、高精度的测量，且能够快速响应系统变化（图3）。

图3：血液透析机要求极其精确地测量患者血压和透析液（清除血流中的毒素）压力
　　除实现精确测量外，电路板安装型传感器还支持设计师实现更简单、更可靠的设计，通过自动化设备快速装配。压力和流量传感器通常支持多种电路板安装型封装，其中大部分都提供适于不同集成端口方向的选件，在需要为连接传感器的管路（无论何种介质）留出毫无障碍的路径时，这些选件将发挥重要作用。结合了传感器端口与预集成歧管的封装选件更能为某些应用节省空间，它们摈弃了在传感器/端口组件与其目标介质之间的管路和相关连接，形成了更简单、更紧凑的设计。预集成的歧管安装支持直接连接，消除了常规设计中常见的多点阻塞、泄漏和其他类型故障。制造商也发现取消优化端口性能所需的反复试验后，预集成歧管能够显著节约项目的设计人工成本，缩短开发周期。
　　多传感器/多功能封装
　　结合温度和湿度、或温度和压力测量等多种功能的集成传感器解决方案为大量医疗设备提供了众多优势。多传感器解决方案可以将两或更多传感器器元件组装在一起（图4），也可以将单独封装的多个传感器集成到一个紧凑型组件中。
　　

图4：HoneywellHumidIcon™ 数字式湿度/温度传感器是将两种功能集成到一个小型封装中的典型范例
　　多传感器封装还为设计工程师提供了其他众多优势，包括：
　　· 简化设备设计，降低制造成本
　　· 简化设计验证过程
　　· 减少零件和连接点数量（即潜在的故障源），提高患者舒适度和安全性
　　· 多传感器元件具有更高可靠性和更出色的性能，降低总拥有成本
　　将更多功能整合到传感器组件中也能够获得类似优势。例如经过完全校准、温度补偿和放大的传感器减少了PCB上的组件数量，使产品尺寸、重量与成本得以大幅降低。一般而言，采用了这类计就不用再增加外部组件，如补偿和校准传感器信号的电阻器与放大器等。
　　预集成传感解决方案（图5）的最佳范例就是霍尼韦尔TruStability®系列。该系列产品将传感元件与广泛种类的端口、安装方式、电压与输出（数字或模拟）集成到一起并完整补偿、校准和放大了部分变量。此外，数字接口设计消除了模拟输出所需的外部电阻器、电容器和放大器，节省了更多空间。
　　

图5：除液体介质功能选件外，霍尼韦尔TruStability® 电路板安装型压力传感器还提供多种接口、安装方式和I/O选件
　　许多TruStability®传感器平台都支持用户进行自由配置，以满足特定医疗设备的特殊要求。此外，传感器平台的构件从一开始便通过了严格验证，确保高品质和可靠性。不再需要补偿和校准使设计工程师减少消耗大量资金的测试过程，甚至无需测试，从而使装配周期更短，生产成本更低。
　　如果市场中没有现成的解决方案，霍尼韦尔设计团队可提供具有高附加值的定制化压力、温度和湿度传感产品，其中包括组合式传感器、集成组件、定制接口封装、非标准端子和温度管理解决方案。
　　

本文重点阐述了开发经济高效的紧凑型传感解决方案的设计策略——传感解决方案是为医疗设备提供有关患者状况或治疗的真实数据的关键。接下来我们将通过几个医院中常见的场景，来说明设计师们是如何利用最新的传感技术来设计外型紧凑、成本低廉、同时又具有出色性能、盈利性和安全性的医疗设备。每个案例都包含一些关于如何选择元器件的简单窍门，以及最适合相关应用的产品范例。

　　

　　图1：输液泵等现代医疗设备需要符合严格医用材料安全标准的紧凑型传感器
　　为什么结构紧凑携带方便如此重要
　　追求外型更小巧、便携性更高的医疗设备的浪潮几乎影响着现代医疗护理的所有方面，其中患者运送、吸氧和门急诊这一类应用受到的影响尤其显著，因为设备越小巧，就越方便使用，越能及时地挽救生命。例如，质量轻的紧凑型患者监护仪和支持设备能够确保医疗小组立即为患者提供高质量的医疗服务，使以前只能在手术室和ICU病房才能执行的治疗和护理在当地诊所、事故现场救护设施甚至是救护车和医疗直升机上也能成功实施。
　　体积较小的呼吸器、输液泵（图1）和生命体征兆监测仪同样也能帮助医院提高病房和ICU病房护理质量。此外在手术室中，紧凑型监护仪、输液泵与抽吸设备也使术前洗擦消毒小组拥有更大空间，更轻松地接触患者和操作监测仪、生命支持及治疗设备。
　　节约空间的设计还增强了产品的便携性，允许医护人员快速、方便地在患者之间移动设备，高度便携的装置能够迅速部署到分秒必争的急救现场。另外，便携性还可使患者在住院期间更灵活的运动，让他们获得更大的自主权和舒适感，这对于加速患者康复大有好处。最后，高便携性可以帮助医护工作管理者更高效地利用医院的资产，创造更健康的医护环境。
　　小型医疗设备的种种优势已经使可靠且易于使用的健康监测走进了寻常百姓的家庭护理，并将在患者医疗服务从医院向家庭转移的过程中发挥关键作用——在私立医疗保险公司和美国***最新颁布实施的《平价医疗法案》（Affordable Care Act）的推动下，这一转移进程将逐步加快。因此，有远见的医疗设备制造商已经着手开发能够提供高质量家庭医疗护理的新产品。
　　新传感器选件使紧凑型设计成为现实
　　但直到近期，在实现微型化和更高便携性的道路上，传感器的发展还有很大空间，这种机械/模拟元件的发展速度远远跟不上笔记本电脑、平板电脑、游戏机和其他消费产品中的数字化计算、显示和通信技术的发展。而现在，依托小型传感器和最新技术，设计工程师已经可以缩小设备尺寸并降低成本。
　　随着新型小巧传感器的部署，以及广泛的小型封装和安装选件的跟进，设备微型化的进程开始启动。其他领域中，新型解决方案通过将多个传感器元件集成到一个封装中，帮助设计师实现了更大的空间节约。这一先进的集成技术使传感器可以布置在小型外科设备和其他应用中，将过去的不可能变为如今的现实。
　　拥有机械接口、安装、封装和I/O等众多选件的传感器平台赋予了医疗设备设计师空前的自由。例如，压力传感器提供了对配连接（端口型）、封装（DIP、SIP、表面安装）与输出（模拟或数字）多种选项，从而能够满足应用严格的功能、成本和空间要求（图2）。
　　

图2：霍尼韦尔传感与控制部的NBP系列基础型电路板安装型压力传感器可安装在空间有限的印刷电路板上或小型设备中
　　电路板安装型传感器凭借多种优势，成为医疗设备和工业设计中最受欢迎的空间节约组件之一。例如，在用于测量流体压力或流量的传感器中，电路板安装型封装能够把传感元件牢固固定在印刷电路板（PCB）上，使之尽可能靠近患者和/或液体介质（如血液、化学物质或水）。
　　这在某些应用中尤为重要。例如血液透析机要求精准测量透析液和静脉压力，以确保患者在治疗期间安全、舒适。精确测量流体压力和血压，有助于消除过高压力或过低压力、避免血管破裂或透析管路中出现气泡。对于这种类型的应用，电路板安装型传感器支持极端的工作距离，实现高准确度、高精度的测量，且能够快速响应系统变化（图3）。

图3：血液透析机要求极其精确地测量患者血压和透析液（清除血流中的毒素）压力
　　除实现精确测量外，电路板安装型传感器还支持设计师实现更简单、更可靠的设计，通过自动化设备快速装配。压力和流量传感器通常支持多种电路板安装型封装，其中大部分都提供适于不同集成端口方向的选件，在需要为连接传感器的管路（无论何种介质）留出毫无障碍的路径时，这些选件将发挥重要作用。结合了传感器端口与预集成歧管的封装选件更能为某些应用节省空间，它们摈弃了在传感器/端口组件与其目标介质之间的管路和相关连接，形成了更简单、更紧凑的设计。预集成的歧管安装支持直接连接，消除了常规设计中常见的多点阻塞、泄漏和其他类型故障。制造商也发现取消优化端口性能所需的反复试验后，预集成歧管能够显著节约项目的设计人工成本，缩短开发周期。
　　多传感器/多功能封装
　　结合温度和湿度、或温度和压力测量等多种功能的集成传感器解决方案为大量医疗设备提供了众多优势。多传感器解决方案可以将两或更多传感器器元件组装在一起（图4），也可以将单独封装的多个传感器集成到一个紧凑型组件中。
　　

图4：HoneywellHumidIcon™ 数字式湿度/温度传感器是将两种功能集成到一个小型封装中的典型范例
　　多传感器封装还为设计工程师提供了其他众多优势，包括：
　　· 简化设备设计，降低制造成本
　　· 简化设计验证过程
　　· 减少零件和连接点数量（即潜在的故障源），提高患者舒适度和安全性
　　· 多传感器元件具有更高可靠性和更出色的性能，降低总拥有成本
　　将更多功能整合到传感器组件中也能够获得类似优势。例如经过完全校准、温度补偿和放大的传感器减少了PCB上的组件数量，使产品尺寸、重量与成本得以大幅降低。一般而言，采用了这类计就不用再增加外部组件，如补偿和校准传感器信号的电阻器与放大器等。
　　预集成传感解决方案（图5）的最佳范例就是霍尼韦尔TruStability®系列。该系列产品将传感元件与广泛种类的端口、安装方式、电压与输出（数字或模拟）集成到一起并完整补偿、校准和放大了部分变量。此外，数字接口设计消除了模拟输出所需的外部电阻器、电容器和放大器，节省了更多空间。
　　

图5：除液体介质功能选件外，霍尼韦尔TruStability® 电路板安装型压力传感器还提供多种接口、安装方式和I/O选件
　　许多TruStability®传感器平台都支持用户进行自由配置，以满足特定医疗设备的特殊要求。此外，传感器平台的构件从一开始便通过了严格验证，确保高品质和可靠性。不再需要补偿和校准使设计工程师减少消耗大量资金的测试过程，甚至无需测试，从而使装配周期更短，生产成本更低。
　　如果市场中没有现成的解决方案，霍尼韦尔设计团队可提供具有高附加值的定制化压力、温度和湿度传感产品，其中包括组合式传感器、集成组件、定制接口封装、非标准端子和温度管理解决方案。
　　

黎蔼焱

2020-8-26 16:28:33

液体兼容性
　　在设计中采用兼容液体的传感器是个复杂的话题，最好是另辟一文予以说明，所以在本文中我们仅做简单说明，介绍其对医疗设备外形的潜在影响。很多老式医疗设备使用不兼容液体介质的传感器，在潮湿环境中就需要增加附加组件来进行保护，因此导致设备外观笨重，成本昂贵，同时还极大地提高了设计的复杂性。
　　幸运的是，封装与材料技术的进步解决了这一问题，使应用于苛刻环境的紧凑型传感器的问世成为可能。
　　在前文提及的血液透析机等应用中，传感器直接接触透析液使得它能够在过滤患者血液时及时向泵控制器发送压力反馈。霍尼韦尔基础型传感器平台具有多种应用的配置，集成了适用于透析机制造商的端口选件和封装设计，设计工程师藉此能够打造高性能的紧凑型医疗设备，同时显著降低设计风险和开发投入。
　　结语
　　如今业界风起云涌，追逐小型化且便携性更好的医疗设备的潮流方兴未艾，在改善医疗护理质量和经济高效性时，传感器将在其中发挥重要作用。如今，医疗设备设计师面临的最大挑战之一就是创造适应当今产品要求的紧凑型传感元件。在这一过程中，一方面利用最新传感器集成技术，一方面紧抓最高效利用这些技术的设计实践，就能解决许多难题。
　　大部分传感器制造商目前都可以提供相当广泛的先进封装技术和预集成多传感器元件，设计师可从中选择需要的选件创造属于自己的紧凑型传感解决方案。包括霍尼韦尔传感与控制公司在内的极少数制造商因能够预集成大量元件，所以可提供集成度更高的传感器元件。
　　您可以在霍尼韦尔TruStability®系列预集成传感器平台上找到许多出色的集成传感解决方案，它们提供了多种封装选件，以及可用于集成大量无源和有源电子组件、应用专属I/O接口、甚至是预设计传感器歧管的选件。除了帮助设计师成为“空间竞赛”的赢家外，霍尼韦尔丰富的封装和集成选件还可帮助他们缩短产品设计和认证周期、为用户提供更高可靠性并降低用户的总拥有成本。

陈勇

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张峰

黎蔼焱

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