中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

专注于为医疗器械研发与生产服务

2018年 9月26日-28日 | 上海世博展览馆

传感器在医疗器械领域的创新发展

2017-04-13

传感器因其处在采集数据的最前哨,在医疗健康领域一直是个重要角色。2015年,医疗传感器市场规模达到了82.1亿美元,预计医疗传感器市场到2022年将达到150亿美元,而2016年到2022年期间的复合增长率为8.5%。

 

而近几年来随着移动互联网的广泛应用,数据采集结合无线传输成为有利搭档,大大提高了人们对数据变化监测的力度。瞬时间,人们发现传感器带来的价值被进一步放大了。结合新材料、纳米技术、生物技术,以及例如供电技术、新型通讯技术等相关传感器领域的周边技术发展,催生了一批以创新传感器技术为核心的医疗健康新兴产品与服务模式。

 

新型的医疗传感器具有更灵敏、微型化、便捷、成本低、无创或者微创、互联性等优点。这些优点令一批创新产以前所未有的价值,切入医疗监测、医学诊断、施药治疗、临床研究、药物研发、慢病管理、健身管理、食物检测等领域。

 

 

 

创新医疗传感器介绍

 

最近几年新出现的各类创新传感器,主要包括新型生物传感器、纳米传感器、可消化传感器、柔性传感器、可植入传感器。

 

新型生物传感器

 

生物传感器是一种能够应用生物识别元件和与之链接的转换元件对信息提供定性或半定量分析的独立集成设备(IUPAC,1998),更准确地说就是传感器集成了生物识别元件和理化转换器,将是别的信号进行处理然后传送给探测器。

 

主要工作原理:分析物和受体接触会发生反应,而这种反应将改变受体表面的生物性质,这种改变进一步引起受体表面的光学或者电学性质改变,然后这种改变被转换器转换为可以测量的电信号并传到探测器。

 

Medtec医疗器械设计与制造曾发布过“7个令人惊叹的医用生物传感器”,收到广泛关注。

 

纳米传感器

 

纳米技术(nanotechnology)是设计、制造及应用纳米结构和纳米材料的技术。纳米传感器是指传感器大小在10到100纳米之间的传感器,它可以检测到纳米级别甚至更小物质的存在。

主要分类:根据工作原理可将纳米传感器分为光学纳米传感器、物理纳米传感器、化学纳米传感器和生物纳米传感器几个大类,在这几个大类下又可以分为几个小类

 

可消化传感器

 

可消化传感器(Ingestible Sensors)是近几年流行的新型传感器,是一种利用可生物降解电子器件材料制成的微型传感器。真个传感器工作系统由智能手机、智能药丸以及其它附属物件组成,这种可消化传感器附着在智能药丸内部,一般利用药丸本身和消化道液体的相互作用供能,传感器将检测的相关数据通过通信模块传输给智能手机或者其他终端。

医疗健康领域主要应用:药物依从性、疾病诊断等。一般以非侵入的形式获取相关数据,相比传统的比如胃镜、肠镜检测有成本大幅降低、使用方便以及减少病人痛苦等特点。目前的主要应用领域是药物依从性,用来管理慢性疾病。

 

柔性传感器

 

柔性传感器主要基于柔性材料(Flex Materials)和柔性电路(Flex Circuits)技术制造的新型传感器,其最大的优点是很薄、柔软而富有弹性,适用于纤维载体,和人体皮肤接触很舒适,又不产生不适感,人体甚至感觉不到它的存在,结合生物相容性材料的传感器可直接植入人体进行监测相关数据,这种传感器对于医疗传感器技术来说是一个革命性的突破,它可以让未来的传感器和人体完美结合。

Medtec之前也在“如何制做智能服装”中介绍过柔性传感器在可穿戴设备中的应用。

柔性传感器适用于可穿戴设备领域,以及部分植入式应用。目前主要需要解决的问题有稳定性、起皱现象、双折射现象以及功能等问题。

工作原理:一般的柔性传感器是一种模拟电阻,传感器是一种附着碳电阻元素的柔性基底,当传感器弯曲时电阻会发生变化,弯曲程度不同电阻变化程度不一样,从而引起整个电路输出的变化。还有一些柔性传感器利用光学、生物化学等原理引起电阻的变化来检测。

 

可植入传感器

 

可植入传感器(implantable sensor)或者嵌入式传感器(embedded sensors)是近几年出现的一种新型传感器,具有体积小、重量轻、具有生物相容性等特征,一般要求功率要特别小,能自己供电,同时利用无线技术传送信息。这种传感器是一种入侵式传感器,需要植入人体内部,所以一般利用了和人体相容的新材料技术、MEMS技术、以及柔性电路技术等等。

可植入传感器的核心价值在于在某些领域克服非植入式用户黏性较差的问题,减少用户佩戴使用的负担,无需养成佩戴使用习惯。目前可植入传感器主要应用领域包括大脑控制、心力衰竭监控、血糖监控等领域,未来将应用于癌症等领域。

 

可植入式传感器的技术难点在于如何解决人体排异性问题,以及数据安全收集(推荐阅读:是时候反思您的网络安全策略了和传送、供电等周边技术。

 

工作原理:一般的可植入式传感器都要求生物相容、自我供电以及无线传输,有些传感器应用一段时间后需要从人体取出,不过目前也出现了可在体内自然降解的传感器。传感器收集人体相关数据通过无线传输到智能手机或者其他终端,提供给患者或者医生。

 

就近几年来可穿戴设备领域,由于佩戴的负担,以及受制于佩戴方式而影响数据获取,一些产业人士转而寄希望于嵌入植入传感器技术的提升来改善这些弊端。

 

压力传感器在医疗器械中的应用

 

压力传感器作为传感器中的一种,在很多医疗器械尤其家庭保健医疗设备中广泛应用。市场调研机构RNR Market Research预测,到2022年,家庭保健医疗设备市场规模将接近260亿美元。因此,医疗器械制造商正在设计更小尺寸的解决方案,因为小型化医疗器械更实用且更有价值。

同样,诸如传感器这类较小元器件的需求日益增长,因为它们可以应用于更便携的医疗器械。然而,器件尺寸缩小,但不能以牺牲器件的性能和可靠性为代价。对大多数制造商而言,他们的预算也有一个限额,低成本组件才是广大制造商的理想之选。这就是为什么能够进入市场的传感器创新技术需要具有更小的外形尺寸,同时又要保持高功能性和可承受性。

 

嵌入式器件如压力传感器。在许多方面取得进展,以更好地满足设计较小医疗器械的需求和挑战。例如,先进的低成本基本压力传感器已经成为有价值的商品,尤其是对那些需要在工业制造和医疗保健领域设计并创建低成本、高容量组件的工程师而言。上述行业中的原始设备制造商(OEMs)对这些应用中的产品需求更大,并且需要能够满足其严格设计要求的组件。

 

在医疗保健市场,家居使用对低干扰且更便携设计技术的关注对器件提出了尺寸变小的需求,如制氧机、呼吸机和其它器械。此外,用来追踪个人健康的可穿戴装置的广泛采用也产生了一定的影响。市场调研机构Gartner于2016年发布的报告显示,预计2017年就健身类可穿戴设备而言销售量就将超过1.09亿。

 

即使器件随着可携性提高而变得越来越小,用户依然希望这些系统功能和精度不输以往。为了设计小且准确性高的医疗器械,诸如传感器这般的组件必须以低成本提供健全特性。然而,高精度通常意味着高价格,对低成本、大批量应用而言并非理想选择。

 

例如,某些呼吸器的设计和制造可能会花费数万美元。与上述成本相比,很容易证明一个贵一点、价值15美元的传感器才是正确选择,因为它不到单位总成本的1%。而用于血压监测应用的设计和制造成本只需要40-120美元,如果采用价值15美元的传感器那就说不过去了。1.5%全量程(full scale span)的额外成本——在上限和下限操作压力范围之间测量输出信号的总误差带(Total Error Band),用这么大的成本做这点改善并不合理。

 

保证在预算内是优先事项。如果低成本组件是设计工程师唯一的选择,如何在高功能系统中利用好低成本传感器?从这些应用中获取价值需要设计人员重新审视这些组件,它们不仅仅是纯粹的商品,更是关键技术的推动者,为设计工程师所创造的系统提供竞争优势。

 

医疗器械传感器设计要求——精度为王

 

对所有的医疗器械而言,功能性和可靠性非常重要。提高诸如传感器组件的精准度能够帮助系统获得更多功能和更高精准度。对低成本、大批量应用而言,小型、经济的传感技术的创新已经帮助医疗器械提高了精准度,甚至可以与一些优质解决方案相媲美。

 

低成本传感器技术的创新显得尤为重要,低功耗、重复性和可靠性等因素已经变得越来越普及,设计工程师正在寻求维持更小的误差范围并改进系统规格的办法。

 

以制氧机为例,低且超低的压力硅传感器可应用于该系统,当检测到病人开始吸气时,制氧机就能有效输氧,以便当患者不吸气时最小化氧气浪费。传感器的应用允许制氧机变得更小,操作也变得更高效。设备尺寸变小也意味着更低功耗,更具便携性。

 

为了提高低成本应用的精准度,易于安装组件的优势保持显得尤为重要,如补偿或放大补偿压力传感器。低精准度的传感器技术可能会抵消即插即用技术所带来的好处。这种好处对努力满足设计要求的工程师而言可能更具价值。例如,能够更准确地测量制氧机内的压力是否需要调节微小细节,或系统中的其它地方存在过度补偿。

 

对更“即插即用”组件的需求从某种程度上解释了放大补偿压力传感器为何越来越流行。和无补偿压力传感器相比,放大补偿压力传感器的使用通常不需要额外的校正,并且可以提供部件与部件间的互换性、校准和温度补偿。假如没有使用具有mV的输入模拟数字转换器(analogue digital converter)专用集成电路(ASIC),非放大补偿传感器可能需要使用放大电路。相比之下,无补偿传感器提供原始传感器输出,通常需要某种形式的补偿才能够在多种应用中使用。

 

使用即插即用解决方案,例如完全放大的补偿传感器,消除了开发过程中对附加电路和设计时间的需求,因此能够提供更大价值。但是,不能提供准确数据的即插即用解决方案对所有目标而言都是无效的,较差的性能将可能潜在地抵消掉易于安装所节省下来的费用。

 

让我们来看一个可以帮助设计工程师选择理想传感解决方案的场景:总误差带大于30%的全量程无补偿传感器成本为9美元,而总误差带大约为10%的全量程补偿传感器成本为10美元。总误差带为1.5%的完全放大即插即用型传感器成本为13美元。低成本和高精度对工程设计师的系统设计非常重要,最好的选择是采用附加电路来提高较便宜传感器的精度,不把设计和校准时间囊括在内的话,组件成本可以小于4美元。在进行类似的前期分析时,设计工程师能够更好地理解组件的价格、性能价值,以及其优点和好处。

 

便携式医疗器械并不是新事物,这些器械继续被设计地更小且更容易使用,为那些青睐于在自己舒适的家中接受更高质量医疗保健的病人带来便利。然而,不论是设计工程师或病人都不能接受以牺牲功能所换取来的尺寸和便携性。最新的创新技术已经帮助设计工程师们将低成本的组件转变成有价值、高功能的技术,这些技术有望成为当先医疗器械技术复兴的理想选择。小尺寸和高精度低成本组件的进步将继续帮助设计工程师们解决当前医疗器械行业中更严格设计参数的需求。

 

 

来源:网络

 

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