科技助力疫情防控 感知技術無處不在
來源：中國傳感器與物聯網產業聯盟副理事長??作者：郭源生 ??2020-02-25 閱讀：878
近期，突如其來的新型冠狀病毒感染引發的肺炎疫情席卷而來，牽動著全國人民的心。多地啟動了重大突發公共衛生事件一級響應，一場為阻斷疫情肆意擴散，防止進一步蔓延的戰役全面打響。在這次全民緊急行動戰役中，除了疫情防護用品和設施外，以5G、人工智能、虛擬現實等為代表的一大批前沿性新技術開始應用。新技術催生下的智能化呼吸機、監護儀、制氧機、負壓救護車等醫療產品都出現在疫情防控第一線，在危重病人搶救以及抑制病毒擴散中發揮了重大作用。由此可見，高科技產品在助力疫情防控中的功效，以及應對各種緊急突發事件中扮演的角色都不容忽視。當然，作為疫情各種數據采集的基礎技術與核心部件，傳感器的關鍵作用更是無可比擬。其中聲敏、力敏、磁敏、氣敏、光敏、溫濕度、RFID射頻、介質生物（試紙、酶電極）等八大敏感元器件及傳感器無一例外地應用于各種防控措施和場景之中，有其不可替代性。
由于這次新型冠狀病毒確診患者常見癥狀主要表現為呼吸道感染、發熱、咳嗽、呼吸急促或者呼吸困難，因此，以下幾種傳感器在本次疫情管控中發揮主要作用。從目前各種癥狀來看，雖然“發熱”不是判斷感染肺炎的唯一指標（有些輕度病例并不發熱，但發熱一定是重癥），但在沒有完全精準有效的方法前，體溫檢測就成為判斷是否感染的關鍵指標。這樣一來，面對公共場所龐大的流動人口，還要在移動狀態下快速、準確、及時檢測并篩查出非正常體溫就顯得至關重要。當然，這對于非接觸式的紅外測溫儀來說，已不是困難的問題，不論是立式紅外測溫儀，還是手持耳溫槍、額溫槍等紅外檢測設備，都能準確達到精度要求。在此類設備中，主要發揮功效的就是能達到醫用計量標準和參數指標要求的高精度、高可靠和高穩定性、一致性的紅外溫度傳感器。紅外測溫儀是由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。人體的紅外輻射的熱像信號，經過光學接收器傳輸給調制器，在消除大面積的背景干擾信號后，將紅外輻射的熱像信號轉變成電信號，再經過放大器和信號處理，并按照儀器內設的算法和目標發射率校正后，最終轉變為被測目標的溫度值。簡單來說，紅外傳感器在接收到物體發出的能量后，通過其光學系統將紅外能量轉換成電信號，通過模型算法及參數校準，將其轉換為醫用級的高精度溫度值。相對于其他類型的測溫方式，紅外測溫方式的優勢在于快速、直觀、非接觸檢測。目前，呼吸機是眼下患者最需要的醫療設備，改善呼吸是重要的治療手段。由于病毒感染后，呼吸困難是危重病人的典型癥狀，而呼吸機能使肺泡在呼氣末保持一定壓力，增加功能殘氣量，防止肺泡萎陷，從而改變通氣和換氣功能，實現對病人進行輔助呼吸治療的目的。持續正壓通氣（CPAP）的呼吸機裝置，可強迫空氣進入肺部，在整個呼吸周期內人為施加一定程度的氣道內正壓。如果病人出現呼吸暫停，CPAP呼吸機可根據預設的頻率進行必要的機械通氣。這就需要呼吸機中設計安裝多個傳感器，實時、持續、精確地控制氣流、壓力和濕度，保持患者持續呼吸功能。因此，呼吸設備都會用到氣體質量流量、壓力、濕度、溫度和磁等傳感器，監測和控制氣流、壓力、溫濕度等指標，同時支持和保障穩定的電機控制系統運行。主要用于測量進入系統的氧氣的流量，以確保充足的空氣供應。通過判斷患者睡眠時的呼吸節奏，根據呼吸速度快慢，通過進氣泵控制，調節通氣量大小與速度，使患者呼吸和進氣頻率保持一致，以提供肺部足夠的氧濃度。在呼吸機運行系統中，檢測病患呼吸壓力的變化和振動（如打鼾）至關重要。病人呼氣期間的二氧化碳水平，也可通過差壓傳感器進行測量計算。比如，呼吸機通過使用差壓傳感器可測量2英寸水柱壓力差，更好地獲取患者二氧化碳輸出量，以調節輸入壓力大小。具體來說，壓力傳感器可將氣道壓力轉化為差動信號，并將測量值交給電路MCU準確做出吸氣和呼氣判斷。之后，由MCU發出指令控制進氣泵，增大或者減小管道壓強。使患者呼吸自然順暢，且不會產生抵觸感。溫、濕度傳感器主要用于測量和調節通氣管中空氣的溫濕度，提供舒適的暖濕氣流，避免患者因吸入干燥和過高過低溫度空氣而導致嗓子疼，影響呼吸與睡眠質量。當氣流中需要加濕氣時，濕度傳感器給出相對應的反饋信息，控制器根據數據信息進行濕度精準調節，確保氣流的濕度范圍。同時，在氣流通路中，直接安裝分立式熱敏電阻，以檢測氣流溫度。或者采用溫度探測組件來定位熱敏電阻元件在待測介質中的位置，并保護熱敏電阻免受損壞。探測組件還能保持熱氣流直接、均勻地流過熱敏電阻，從而準確感應溫度。為使呼吸機電機順暢運轉，呼吸機還會通過風機系統來冷卻電機組件。采用磁傳感器感知呼吸機中電機運行參數，如霍爾磁元件來支持穩定的電機控制，保持電機平穩運轉，以減少由風機系統產生的噪音和振動。重癥患者其動脈血液中的氧含量高低是醫生用于檢測和評價生命體特征的重要指標。目前，最常用的醫用氧傳感器是電化學式，俗稱氧電池。氧氣進入傳感器后，內部所含的鉛（Pb）逐漸被氧化成PbO2，其壽命只有1年左右。作為創新型替代產品，一種順磁原理的氧氣傳感器逐步開始使用。其工藝較復雜，價格較高，但壽命長，是非消耗品，可長期使用不用更換。此外，若通過夾帶式可穿戴設備進行血氧飽和度監測，可避免采血抽樣，實驗室手工分析等繁雜過程，是實現動態變化的實時信息獲取與監測的有效方法，即可以保障病情判斷的準確性、及時性，以及血氧動態變化的連續性。伴隨氧傳感器同時使用的還有醫用二氧化碳傳感器，疫情防控中的應用場合更為普遍，包括呼吸機、救護氧艙、麻醉劑、嬰兒培養箱、ICU病房以及住院隔離區環境監測等。作為無創性、快速、廉價的檢查手段，氣體傳感器在醫學診療過程的應用更為重要和普遍。例如測量幽門螺旋桿菌（Hp）。Hp可引起多種胃病，包括淺表性胃炎、胃潰瘍、十二指腸潰瘍、非潰瘍性消化不良，嚴重到胃癌。通過呼氣排放中檢測出ppb級別的二氧化碳濃度，即可判斷是否存在Hp感染以及感染量化程度等，這都是通過氣體傳感器來完成的。除此之外，疑似患者甄別試紙、試劑數據、醫療可穿戴產品、大小型制氧機、醫用機器人、護理機器人等等，以及各種實驗、化驗檢測；醫療器械與監控設備，智能化醫院環境與裝備設施，甚至是生產醫療相關產品的自動化、智能化、數據信息化過程無疑大量使用了各種不同結構類型的傳感器，傳感器在醫療中的應用更是數不勝數、舉不勝舉。總之，作為數據采集的唯一功能器件和信息化基礎產品，傳感器可量化精準地獲取人體血糖、血脂、血氧、血壓、心動、腦電、皮電、體溫等所有反映健康體征的生理參數指標。在本次疫情中，乃至醫療行業應用可謂是無處不在。人們期待著通過疫情防控呈現出的不同場景和突出問題，給相關企業提供相關技術信息和創新思路，使得業內企業以此為契機，通過跨界的融合與協同，不斷創新出更多的生物醫學傳感器，以滿足國家對應急突發事件預警檢測和防控監測的及時性需求。本篇作者：中國傳感器與物聯網產業聯盟副理事長 郭源生
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