Wybór medycznego czujnika ciśnienia MEMS: specyfikacje, dryf i kontrola źródła

Przesunięcie 40 Pa w ramieniu wdechowym respiratora wystarczy, aby wypchnąć spontaniczny oddech poza okno wyzwalania, a przesunięcie to prawie nigdy nie pochodzi z rurki. Pochodzi z medycznego czujnika ciśnienia MEMS umieszczonego na płytce drukowanej pacjenta. Zespoły projektowe, które szybko określają tę część, zwykle spędzają następne sześć miesięcy na poszukiwaniu dryftu zerowego, skargach dotyczących uciążliwych alarmów i procedurze kalibracji, na którą nikt nie przewidział budżetu. Zapobieganie każdemu z tych problemów jest tanie na etapie arkusza danych, a jego naprawienie po obróbce jest kosztowne.

Pomiar ciśnienia to jedno z niewielu miejsc w wyrobie medycznym, gdzie część kosztująca kilka dolarów decyduje o tym, czy lekarz ufa liczbie widocznej na ekranie. Poniższe specyfikacje zmieniają zachowanie kliniczne.

Co właściwie mierzy medyczny czujnik ciśnienia MEMS

Medyczny czujnik ciśnienia MEMS przekształca różnicę ciśnień na napięcie, mierząc stopień odchylenia mikroobrobionej membrany krzemowej, a następnie kompensuje i kalibruje to napięcie w celu uzyskania określonego sygnału wyjściowego.

Dwie liczby wyjaśniają, dlaczego goła matryca nigdy nie jest produktem. Odchylenie na pełną skalę wynosi zwykle mniej niż jeden mikrometr, a moc wyjściowa mostka mierzona jest w dziesiątkach miliwoltów. Żel izolacyjny, geometria portu, układ ASIC dopasowujący sygnał i zapis kalibracji wykonują zatem tyle samo pracy, co sam krzem.

Części półprzewodnikowe zastąpiły cewniki wypełnione płynem w liniach monitorujących ze względów praktycznych: kolumna płynu wykazuje podatność i zatrzymuje powietrze, które tłumi szybkie przebiegi i wymusza przepłukanie przed każdym odczytem. Membrana krzemowa nie ma kolumny, która mogłaby usunąć pęcherzyki i reaguje w zakresie kiloherców. Opublikowane recenzje miniaturowych czujników ciśnienia opisują urządzenia wystarczająco małe, aby mierzyć ciśnienie wewnątrz naczyń krwionośnych o wewnętrznej średnicy od 200 do 1000 mikrometrów, co stanowi tę samą zasadę wykrywania w zmniejszeniu.

Wartość bezwzględna, miernikowa lub różnicowa: wybierz wartość odniesienia przed zakresem

Jeśli źle odniesiesz ciśnienie, każda późniejsza decyzja będzie błędna o mniej więcej jedną atmosferę. Części bezwzględne, pomiarowe i różnicowe odpowiadają na różne pytania, a pojedynczy monitor pacjenta często wymaga dwóch z trzech.

W konstrukcjach respiratorów i przepływów dominują części różnicowe, ponieważ przepływ jest wnioskowany na podstawie spadku ciśnienia w znanym ograniczeniu. Dlatego czujnik mierzy niewielką różnicę przy dużym ciśnieniu w trybie wspólnym. Część przystosowana do różnicy 10 kPa, ale w trybie wspólnym tylko 30 kPa ulegnie awarii w obwodzie, który dostarcza do obu portów ciśnienie w drogach oddechowych 60 cm H2O.

Części manometrów pozostają głównym narzędziem w mankietach do pomiaru ciśnienia krwi i przewodach doprowadzających gaz, gdzie dopuszczalne jest odniesienie do otoczenia. Części bezwzględne są wymagane zawsze, gdy odniesienie musi podróżować z pacjentem, jak w przypadku linii inwazyjnej lub kanału wysokości barometrycznej. Typowym punktem wyjścia jest moduł pomiaru ciśnienia krwi zbudowany wokół izolowanego żelowo elementu manometrycznego.

Medyczne czujniki ciśnienia MCP-H10 i MCP-H11 MCP-H10 zapewnia analogowe wyjście napięciowe; MCP-H11 dodaje cyfrowe wyjście ciśnienia i temperatury I2C, obejmujące zakres od -100 do 1000 kPa dla projektów medycznych i konsumenckich. Zobacz produkt →

Specyfikacje decydujące o przeglądzie projektu

Pięć liczb decyduje o tym, czy czujnik ciśnienia przetrwa przegląd projektu: pełny zakres, podstawa dokładności, dryft termiczny, długoterminowa stabilność i ciśnienie rozrywające. Cała reszta to szczegóły opakowania.

• Pełny zasięg i zapas mocy. Umieść normalny punkt pracy pomiędzy 25% a 75% pełnej skali. W części o ciśnieniu 10 kPa stosowanej przy ciśnieniu 9,5 kPa nie ma już miejsca na limity alarmowe, a budżet błędu jest wydawany jeszcze przed wzięciem pod uwagę temperatury.
• Podstawa dokładności. Procent pełnej skali, procent odczytu i procent zakresu to trzy różne liczby. Zamień je wszystkie na paskale przy ciśnieniu, które faktycznie musisz rozwiązać.
• Dryft termiczny. Zapytaj o przesunięcie i przesunięcie zakresu w całym paśmie klinicznym, a nie komercyjnym. Część skompensowana od 0 do 70°C niewiele mówi o zachowaniu przy kontakcie ze skórą w temperaturze 41°C.
• Długoterminowa stabilność. Roczny dryft, wyrażony jako procent pełnej skali, decyduje o tym, czy urządzenie wymaga ponownej kalibracji w trakcie jego użytkowania, czy może zostać zapieczętowane i zapomniane.
• Ciśnienie rozrywające i próbne. Okluzja linii lub zatrzaśnięcie zaworu może znacznie przekroczyć pełną skalę. Czujnik musi to przetrwać i powrócić do specyfikacji, a nie tylko unikać pęknięć.

Gdzie w sprzęcie klinicznym stosowane są medyczne czujniki ciśnienia MEMS

Pięć rodzin urządzeń odpowiada za największe zapotrzebowanie medyczne na te części, a każda z nich ma inną specyfikację.

Czujniki różnicy ciśnień MCP-H20 i MCP-H21 Dwuportowe czujniki różnicowe z wyjściem analogowym lub szybkim I2C, w zakresie od -100 do 200 kPa, do pomiarów medycznych, pneumatycznych i środowiskowych. Zobacz produkt →

MemsTech (Wuxi Mems Tech Co., Ltd.), producent czujników z siedzibą w Wuxi National High-Tech District, organizuje swoją ofertę medyczną według dokładnie tych rodzin i publikuje Oferta medycznych czujników ciśnienia który odwzorowuje każdy model na typ ciśnienia, sygnał wyjściowy, zakres pomiarowy i opakowanie. To mapowanie ma większe znaczenie niż pojedyncza wartość dokładności nagłówka, ponieważ inżynier respiratora i inżynier dializy optymalizują różne ograniczenia w ramach tego samego katalogu.

Kompensacja temperatury i dryft: błędy, które pojawiają się później

Temperatura jest największym pojedynczym źródłem błędu w medycznym czujniku ciśnienia i jest to najmniej konsekwentnie podawana specyfikacja. Dwie części o identycznej dokładności pomiaru temperatury pokojowej mogą różnić się pięciokrotnie w temperaturze 45°C.

Trzy nawyki wypełniają większość tej luki, zanim dotrze ona do pacjenta:

1. Sprawdź dokładny numer części w dokładnej obudowie na obu końcach klinicznego zakresu temperatur, a nie komercyjnego.
2. Zarejestruj przesunięcie zera po włączeniu zasilania i ponownie po 20 minutach ciągłej pracy, a następnie porównaj dwa w dziesięciu jednostkach z trzech partii.
3. Dodaj zawór zerujący i procedurę przesunięcia oprogramowania sprzętowego, aby system skorygował to, czego czujnik nie może zagwarantować.

Producenci posiadający wewnętrzną kalibrację przejmują część tej pracy. Każda jednostka wysyłana przez MemsTech jest kalibrowana zerowo i w pełnej skali, poddawana cyklom termicznym i oceniana pod kątem długoterminowej stabilności przed wypuszczeniem na rynek, z dokładnością w najlepszym przypadku podaną na poziomie 0,2% FSS. Pozostała weryfikacja nadal należy do Twojego własnego planu testów, ponieważ tylko Ty znasz media, rosnące naprężenie i cykl sterylizacji, który faktycznie zobaczy część.

Sprawdzanie pakietu, interfejsu i zaopatrzenia przed wydaniem zamówienia zakupu

Specyfikację zamykają dwie możliwości: sposób montażu czujnika i sposób opuszczania płytki. O obu przypadkach decyduje wielkość produkcji i to, kto jest właścicielem etapu kalibracji.

Zintegrowane czujniki ciśnienia MCP5XXXDP do zastosowań medycznych i przemysłowych Absolutne, gauge, and differential pressure options with analog output, covering 0 to 700 kPa for microcontroller-based medical and industrial designs. Zobacz produkt →

1. Poproś o zapis kalibracji dla dokładnej partii, zawierający wartości zerowe i pełną skalę, a nie tylko ogólne oświadczenie o dokładności.
2. Potwierdź na piśmie zakres kompensacji temperatury i zapytaj, co dzieje się poza nim.
3. Sprawdź zgodność mediów z aktualnie stosowaną metodą sterylizacji, w tym liczbę cykli.
4. Zapytaj o zerową dystrybucję między partiami, ponieważ liczba ta decyduje o tym, czy Twoja linia montażowa wymaga etapu przycięcia.
5. Potwierdź wydajność i czas realizacji względem swojej rampy oraz sprawdź, czy część jest produkowana we własnym zakresie, czy odsprzedawana.

Szersze informacje techniczne na temat budowy matryc, pakowania i kompromisów w zakresie zastosowań można znaleźć w witrynie Przegląd technologii czujników ciśnienia MEMS opisuje budowę tych urządzeń i obszary ich praktycznych ograniczeń.

Często zadawane pytania dotyczące medycznych czujników ciśnienia MEMS

Jaka jest różnica między czujnikiem ciśnienia MEMS a czujnikiem piezoelektrycznym?

Czujnik ciśnienia MEMS mierzy ugięcie membrany i może odczytać ciśnienie statyczne, dzięki czemu utrzymuje prawidłową wartość ciśnienia w drogach oddechowych, ciśnienia w mankiecie lub ciśnienia przezbłonowego podczas dializy. Elementy piezoelektryczne reagują na zmieniającą się siłę i nie mogą utrzymać odczytu statycznego, co czyni je odpowiednimi do zdarzeń dynamicznych, a nie do ciągłego monitorowania.

Czy medyczny czujnik ciśnienia MEMS może wytrzymać sterylizację w autoklawie?

To zależy od opakowania, a nie matrycy. Porty izolowane żelem w szczelnych obudowach są powszechnie stosowane podczas sterylizacji, ale po powtarzanych cyklach w temperaturze 121°C lub 134°C należy ponownie zweryfikować przesunięcie zera, ponieważ w warstwie żelu i kleju gromadzi się histereza termiczna.

Jak wybrać pomiędzy analogowym a cyfrowym medycznym czujnikiem ciśnienia?

Wybierz opcję analogową, jeśli Twoja płyta ma już niskoszumowy przetwornik ADC i posiadasz procedurę kalibracji i kompensacji temperatury. Wybierz fabrycznie skalibrowaną część cyfrową, jeśli wolisz kupić dokładność niż ją budować, co jest zwykle szybszą metodą w przypadku małych zespołów i mniejszych wolumenów.

Jaką dokładność może realistycznie zapewnić medyczny czujnik ciśnienia MEMS?

W najlepszym przypadku liniowość i dokładność osiągają 0,2% pełnej skali na dobrze dobranych platformach medycznych, ale liczba, która ma znaczenie w terenie, to suma dokładności, dryfu termicznego i długoterminowej stabilności w klinicznym zakresie temperatur. Suma ta jest zazwyczaj od dwóch do pięciu razy większa od kwoty nagłówkowej.