科技助力疫情防控感知技術(shù)無(wú)處不在

郭源生

近期，突如其來(lái)的新型冠狀病毒感染引發(fā)的肺炎疫情席卷而來(lái)，牽動(dòng)著全國(guó)人民的心。多地啟動(dòng)了重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件一級(jí)響應(yīng)，一場(chǎng)為阻斷疫情肆意擴(kuò)散，防止進(jìn)一步蔓延的戰(zhàn)役全面打響。在這次全民緊急行動(dòng)戰(zhàn)役中，除了疫情防護(hù)用品和設(shè)施外，以5G、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等為代表的一大批前沿性新技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用。新技術(shù)催生下的智能化呼吸機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、制氧機(jī)、負(fù)壓救護(hù)車(chē)等醫(yī)療產(chǎn)品都出現(xiàn)在疫情防控第一線(xiàn)，在危重病人搶救以及抑制病毒擴(kuò)散中發(fā)揮了重大作用。由此可見(jiàn)，高科技產(chǎn)品在助力疫情防控中的功效，以及應(yīng)對(duì)各種緊急突發(fā)事件中扮演的角色都不容忽視。當(dāng)然，作為疫情各種數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)技術(shù)與核心部件，傳感器的關(guān)鍵作用更是無(wú)可比擬。其中聲敏、力敏、磁敏、氣敏、光敏、溫濕度、RFID射頻、介質(zhì)生物（試紙、酶電極）等八大敏感元器件及傳感器無(wú)一例外地應(yīng)用于各種防控措施和場(chǎng)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(jiàn)癥狀主要表現(xiàn)為呼吸道感染、發(fā)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(fā)揮主要作用。

紅外傳感器技術(shù)在體溫篩查中的應(yīng)用

相對(duì)于其他類(lèi)型的測(cè)溫方式，紅外測(cè)溫的優(yōu)勢(shì)在于快速、直觀、非接觸檢測(cè)。

從目前各種癥狀來(lái)看，雖然“發(fā)熱”不是判斷感染肺炎的唯一指標(biāo)（有些輕度病例并不發(fā)熱，但發(fā)熱一定是重癥），但在沒(méi)有完全精準(zhǔn)有效的方法前，體溫檢測(cè)就成為判斷是否感染的關(guān)鍵指標(biāo)。這樣一來(lái)，面對(duì)公共場(chǎng)所龐大的流動(dòng)人口，還要在移動(dòng)狀態(tài)下快速、準(zhǔn)確、及時(shí)檢測(cè)并篩查出非正常體溫就顯得至關(guān)重要。當(dāng)然，這對(duì)于非接觸式的紅外測(cè)溫儀來(lái)說(shuō)，已不是困難的問(wèn)題，不論是立式紅外測(cè)溫儀，還是手持耳溫槍、額溫槍等紅外檢測(cè)設(shè)備，都能準(zhǔn)確達(dá)到精度要求。在此類(lèi)設(shè)備中，主要發(fā)揮功效的就是能達(dá)到醫(yī)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)指標(biāo)要求的高精度、高可靠和高穩(wěn)定性、一致性的紅外溫度傳感器。

紅外測(cè)溫儀是由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。人體的紅外輻射的熱像信號(hào)，經(jīng)過(guò)光學(xué)接收器傳輸給調(diào)制器，在消除大面積的背景干擾信號(hào)后，將紅外輻射的熱像信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理，并按照儀器內(nèi)設(shè)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后，最終轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，紅外傳感器在接收到物體發(fā)出的能量后，通過(guò)其光學(xué)系統(tǒng)將紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)模型算法及參數(shù)校準(zhǔn)，將其轉(zhuǎn)換為醫(yī)用級(jí)的高精度溫度值。相對(duì)于其他類(lèi)型的測(cè)溫方式，紅外測(cè)溫方式的優(yōu)勢(shì)在于快速、直觀、非接觸檢測(cè)。

壓力、流量、溫濕度等傳感器在呼吸機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

呼吸設(shè)備都會(huì)采用各種傳感器，監(jiān)測(cè)和控制氣流、壓力、溫濕度等指標(biāo)。

目前，呼吸機(jī)是眼下患者最需要的醫(yī)療設(shè)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(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)病人進(jìn)行輔助呼吸治療的目的。持續(xù)正壓通氣（CPAP）的呼吸機(jī)裝置，可強(qiáng)迫空氣進(jìn)入肺部，在整個(gè)呼吸周期內(nèi)人為施加一定程度的氣道內(nèi)正壓。如果病人出現(xiàn)呼吸暫停，CPAP呼吸機(jī)可根據(jù)預(yù)設(shè)的頻率進(jìn)行必要的機(jī)械通氣。這就需要呼吸機(jī)中設(shè)計(jì)安裝多個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)、持續(xù)、精確地控制氣流、壓力和濕度，保持患者持續(xù)呼吸功能。因此，呼吸設(shè)備都會(huì)用到氣體質(zhì)量流量、壓力、濕度、溫度和磁等傳感器，監(jiān)測(cè)和控制氣流、壓力、溫濕度等指標(biāo)，同時(shí)支持和保障穩(wěn)定的電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行。

（1）空氣流量傳感器主要用于測(cè)量進(jìn)入系統(tǒng)的氧氣的流量，以確保充足的空氣供應(yīng)。通過(guò)判斷患者睡眠時(shí)的呼吸節(jié)奏，根據(jù)呼吸速度快慢，通過(guò)進(jìn)氣泵控制，調(diào)節(jié)通氣量大小與速度，使患者呼吸和進(jìn)氣頻率保持一致，以提供肺部足夠的氧濃度。

（2）壓力傳感器在呼吸機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)中，檢測(cè)病患呼吸壓力的變化和振動(dòng)（如打鼾）至關(guān)重要。病人呼氣期間的二氧化碳水平，也可通過(guò)差壓傳感器進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。比如，呼吸機(jī)通過(guò)使用差壓傳感器可測(cè)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(diào)節(jié)輸入壓力大小。具體來(lái)說(shuō)，壓力傳感器可將氣道壓力轉(zhuǎn)化為差動(dòng)信號(hào)，并將測(cè)量值交給電路MCU準(zhǔn)確做出吸氣和呼氣判斷。之后，由MCU發(fā)出指令控制進(jìn)氣泵，增大或者減小管道壓強(qiáng)。使患者呼吸自然順暢，且不會(huì)產(chǎn)生抵觸感。

（3）溫、濕度傳感器溫、濕度傳感器主要用于測(cè)量和調(diào)節(jié)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(guò)高過(guò)低溫度空氣而導(dǎo)致嗓子疼，影響呼吸與睡眠質(zhì)量。當(dāng)氣流中需要加濕氣時(shí)，濕度傳感器給出相對(duì)應(yīng)的反饋信息，控制器根據(jù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行濕度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，確保氣流的濕度范圍。同時(shí)，在氣流通路中，直接安裝分立式熱敏電阻，以檢測(cè)氣流溫度?；蛘卟捎脺囟忍綔y(cè)組件來(lái)定位熱敏電阻元件在待測(cè)介質(zhì)中的位置，并保護(hù)熱敏電阻免受損壞。探測(cè)組件還能保持熱氣流直接、均勻地流過(guò)熱敏電阻，從而準(zhǔn)確感應(yīng)溫度。

（4）磁傳感器為使呼吸機(jī)電機(jī)順暢運(yùn)轉(zhuǎn)，呼吸機(jī)還會(huì)通過(guò)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)來(lái)冷卻電機(jī)組件。采用磁傳感器感知呼吸機(jī)中電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，如霍爾磁元件來(lái)支持穩(wěn)定的電機(jī)控制，保持電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，以減少由風(fēng)機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)。

氣體傳感器在醫(yī)療器械中的應(yīng)用

作為無(wú)創(chuàng)、快速的檢查手段，氣體傳感器在醫(yī)學(xué)診療的應(yīng)用更重要和普遍。

重癥患者其動(dòng)脈血液中的氧含量高低是醫(yī)生用于檢測(cè)和評(píng)價(jià)生命體特征的重要指標(biāo)。

目前，最常用的醫(yī)用氧傳感器是電化學(xué)式，俗稱(chēng)氧電池。氧氣進(jìn)入傳感器后，內(nèi)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(chuàng)新型替代產(chǎn)品，一種順磁原理的氧氣傳感器逐步開(kāi)始使用。其工藝較復(fù)雜，價(jià)格較高，但壽命長(zhǎng)，是非消耗品，可長(zhǎng)期使用不用更換。此外，若通過(guò)夾帶式可穿戴設(shè)備進(jìn)行血氧飽和度監(jiān)測(cè)，可避免采血抽樣，實(shí)驗(yàn)室手工分析等繁雜過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)信息獲取與監(jiān)測(cè)的有效方法，即可以保障病情判斷的準(zhǔn)確性、及時(shí)性，以及血氧動(dòng)態(tài)變化的連續(xù)性。伴隨氧傳感器同時(shí)使用的還有醫(yī)用二氧化碳傳感器，疫情防控中的應(yīng)用場(chǎng)合更為普遍，包括呼吸機(jī)、救護(hù)氧艙、麻醉劑、嬰兒培養(yǎng)箱、ICU病房以及住院隔離區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

作為無(wú)創(chuàng)性、快速、廉價(jià)的檢查手段，氣體傳感器在醫(yī)學(xué)診療過(guò)程的應(yīng)用更為重要和普遍。例如測(cè)量幽門(mén)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(yán)重到胃癌。通過(guò)呼氣排放中檢測(cè)出ppb級(jí)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(guò)氣體傳感器來(lái)完成的。

除此之外，疑似患者甄別試紙、試劑數(shù)據(jù)、醫(yī)療可穿戴產(chǎn)品、大小型制氧機(jī)、醫(yī)用機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人等等，以及各種實(shí)驗(yàn)、化驗(yàn)檢測(cè);醫(yī)療器械與監(jiān)控設(shè)備，智能化醫(yī)院環(huán)境與裝備設(shè)施，甚至是生產(chǎn)醫(yī)療相關(guān)產(chǎn)品的自動(dòng)化、智能化、數(shù)據(jù)信息化過(guò)程無(wú)疑大量使用了各種不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的傳感器，傳感器在醫(yī)療中的應(yīng)用更是數(shù)不勝數(shù)、舉不勝舉。

總之，作為數(shù)據(jù)采集的唯一功能器件和信息化基礎(chǔ)產(chǎn)品，傳感器可量化精準(zhǔn)地獲取人體血糖、血脂、血氧、血壓、心動(dòng)、腦電、皮電、體溫等所有反映健康體征的生理參數(shù)指標(biāo)。在本次疫情中，乃至醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用可謂是無(wú)處不在。人們期待著通過(guò)疫情防控呈現(xiàn)出的不同場(chǎng)景和突出問(wèn)題，給相關(guān)企業(yè)提供相關(guān)技術(shù)信息和創(chuàng)新思路，使得業(yè)內(nèi)企業(yè)以此為契機(jī)，通過(guò)跨界的融合與協(xié)同，不斷創(chuàng)新出更多的生物醫(yī)學(xué)傳感器，以滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)應(yīng)急突發(fā)事件預(yù)警檢測(cè)和防控監(jiān)測(cè)的及時(shí)性需求。