如今的患者在進入醫院時，他們不僅要面對醫生和護士，還要面對一系列先進的醫療診斷和分析設備，許多設備用來監測他們的生理參數，如體溫、心率、血壓、血氧水平等等。在患者和這些醫療設備之間的連接處，則是一系列高度可靠和精確的醫療傳感器。

行業研究機構MarketsandMarkets預測，從現在起到2022年，醫療傳感器市場的復合年增長率(CAGR)為8.5%，市場規模在2022年將達到150億美元。業內有許多類似的其他趨勢和技術也在推動該市場的增長，其中包括醫療服務提供商面臨著越來越大的壓力，以進一步降低運營成本。同時，全球人口正在步入老齡化，而消費者對遠程醫療寄予很高的期望。

在更接近患者的傳感器層面，MEMS、納米技術、超低功耗傳感器、無線充電和新通信協議的持續發展都會產生重大影響。此外，醫療設備設計人員正在關注傳感器融合和多功能傳感器的進展，這些傳感器技術在未來可能會提供更大的應用空間。

監測生命體征

用于感測壓力、溫度和氣流等參數的單功能傳感器可用于多種醫療設備，從簡單的測溫設備、血壓監測儀和輸液泵到用于磁共振成像(MRI)、超聲波、X射線和持續正壓氣道通氣機器(CPAP，簡稱睡眠呼吸機)等復雜醫療設備。

歐姆龍(Omron)公司的D6F-01A1-110高精度MEMS流量傳感器可用于呼吸和通氣機設備、麻醉輸送機和氧氣濃縮器等。該器件可在0～1升/分鐘的流量范圍內提供氣流測量，精度為±3%滿量程。同樣， 霍尼韋爾HAFBLF0400C4AX3高精度氣流傳感器可提供400SCCM范圍的流量測量，精度為2.5%。這款傳感器采用先進的板載ASIC，能夠進行完全校準和溫度補償，可用于麻醉和治療睡眠呼吸暫停以及霧化機(nebulisers)等。

圖1：霍尼韋爾的HAFBLF0400C4AX3氣流傳感器。

在最重要的醫用壓力傳感器中， Amphenol的P162是一種電路板安裝壓阻式(piezoresistive)器件，能夠測量高達300mm Hg的壓力。這款緊湊型傳感器采用1150μmx725μm芯片，在子宮內壓(IUP)測定等應用中具有重要作用。

與壓力和氣流傳感器一樣，溫度傳感器同樣是各種醫療設備的關鍵組成部分。例如， Maxim的700-DS600U溫度傳感器 工作范圍為-40℃～125℃，精度為±0.5℃。它可以集成到輸液泵中，用于向患者輸送液體、藥物或營養物，以及各種形式的可攜帶體內治療。Maxim的產品組合中還包括MAX30205MTA+，該板載傳感器在0℃～50℃工作溫度范圍內具有±0.1°C的精度，它使用高分辨率Σ-Δ模數轉換器(ADC)，能夠將測量的模擬溫度轉換為數字格式，在最終PCB上焊接時能夠符合ASTM E1112臨床測溫規范。該傳感器適用于醫療環境中的體溫測量，同時適用于健身追蹤器中的體溫測量。為了在早產兒恒溫箱(incubators)中持續監測體溫，Amphenol開發了MA300TA103C，這是一款9.52mm直徑的生物醫學級NTC熱敏電阻，工作溫度范圍為0℃～50℃。

非接觸式體溫測量是Melexis公司MLX90614ESF-BAA-000-TU等溫度傳感器的一種常見應用。MLX90614ESF-BAA-000-TU是一款由兩個芯片構成的板載紅外(IR)溫度測量器件，包括一個紅外敏感熱電堆檢測器和一個信號調節ASIC，該多芯片傳感器可在-40℃～85℃溫度范圍內進行溫度測量，精度為±0.5℃。

圖2：Melexis公司 MLX90614ESF-BAA-000-TU溫度傳感器。

傳感器融合和多功能傳感器

在復雜醫療設備中，雖然具有不同功能的傳感器現在已經變得很普遍，而且為了獲得更好的結果，需要部署多個傳感器的場合也越來越多。就像人類的大腦集成了嗅覺、味覺、觸覺、視覺和聽覺等許多不同的感官輸入，能夠提供更好的整體體驗，技術進步也可以將來自多個傳感器的輸入數據流組合在一起，從而實現傳感器融合。

傳感器融合通常包括三個連續階段：數據采集、特性融合、以及最后的決策合并。在第一階段，多個傳感器收集物理、化學、生物參數特征或圖像等不同類型的信號。在下一階段，收集的信號經過處理以提取相關信息，并消除噪聲。最后，第三階段通過一系列決策算法執行數據融合。

傳感器融合實施的典型示例是一種目前正在使用的9軸9-SFA系統，它們包括一個3D加速度計，一個3D陀螺儀和一個3D磁力計(magnetometer)。三個傳感器中的每一個都能夠提供獨特的輸入，但卻都具有某些運行方面的局限。例如，加速度計可提供x軸、y軸和z軸線性運動感測，但對振動非常敏感。同樣，陀螺儀可進行俯仰、滾轉和偏航旋轉感測，但是卻容易受零點偏置漂移(zero bias drift)影響。雖然磁力計能夠提供x，y和z軸磁場感應，但會受到電磁干擾(EMI)的影響。然而，通過數據融合，將這些傳感器功能組合在一起可以獲得豐富的感測數據，從而可用于廣泛的醫學學科應用。

意法半導體的SensorTile (STEVAL-STLKT01V1)是一款13.5mm x 13.5mm“交鑰匙型”傳感器融合開發板，帶有各一個MEMS加速度計、陀螺儀、磁力計、壓力傳感器以及一個MEMS麥克風(見圖1)，該開發板配有STM32L4 32位ARM Cortex-M4微控制器。同樣，NXP的 FXOS8700CQR1是一款由一個3軸線性加速度計和一個3軸磁力計組合而成的單一封裝，該傳感器包含可選的I2C或點對點SPI串行接口，具有14位加速度計和16位磁力計ADC分辨率，可提供動態可選的滿量程加速度范圍±2g、±4g和±8g，以及固定磁場測量范圍±1200μT，該傳感器在醫療領域的主要應用包括患者監測、跌倒檢測和康復等等。

圖3：意法半導體SensorTile的功能框圖。

傳感器融合技術是將多個傳感器的輸入組合形成一個輸出，相比之下，使用多功能傳感器的醫療設備則可通過單一傳感器實現多參數生物特征和健康監測。從這些器件收集的多層面生物信息可以幫助護理人員和臨床醫生實時監控患者的健康狀況，同時可以分析所采集的數據以進行醫療診斷。例如，可穿戴式健康監測胸部佩戴設備集成有控制器板、心電圖(ECG)傳感器、溫度傳感器、加速度計和振動馬達，可為醫務人員提供重要的信息輸入。

Maxim的MAX30001多功能傳感器可根據患者體內產生的電信號來測量生物電位(biopotential)，該模塊具有包含生物電位和生物阻抗(BioZ)傳感器的模擬前端(AFE)，可為波形、心率和起搏器邊緣檢測提供單一生物電位通道，并具有單個生物阻抗通道用于呼吸測量，其應用包括生物認證和因需而定的心電圖應用、呼吸和水合監測、心率監測和心律失常檢測。

患者在醫院尋求治療時，通常會接受廣泛的診斷檢查，但一旦出院，他們就會從醫生的監測視野中消失，這是醫療保健行業的一個重要盲區。本文所討論的一些技術項目，將有助于把對患者健康狀況進行全天候監控變成現實。

作者：貿澤電子Mark Patrick