【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】許多臨床治療過(guò)程中有流體參與，例如輸注泵中的藥液，呼吸機(jī)中的空氣等等，保證藥物輸注過(guò)程中的精確給藥以及人工通氣過(guò)程中的精確送氣可降低患者的發(fā)病率及死亡率，因此，精確地測(cè)量流體流速在臨床治療中具有十分重要的意義。然而，當(dāng)前的流速傳感器造價(jià)較高，限制了其在成本有限的醫(yī)療器械中的應(yīng)用。近來(lái)，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所蘇業(yè)旺研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一款基于柔性平面曲梁結(jié)構(gòu)(FPCBS)的光電式流速傳感器，該傳感器對(duì)氣體和液體的流速測(cè)量都具有高靈敏度、良好的機(jī)械耐久性以及可靠的結(jié)構(gòu)魯棒性等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有造價(jià)低廉，實(shí)用性強(qiáng)，與藥液接觸部分材料具有生物相容性的特點(diǎn)，適合在現(xiàn)有醫(yī)療器械內(nèi)廣泛推廣。該研究成果以“Low-Cost Photoelectric Flow Rate Sensors Based on a Flexible Planar Curved Beam Structure for Clinical Treatments”為題近期發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)醫(yī)療材料》(Advanced Healthcare Materials)上。
 

　　基于柔性平面曲梁結(jié)構(gòu)(FPCBS)的光電式流速傳感器(圖1)傳感原理為將敏感片垂直放置在透光管路內(nèi)，并把光電傳感器與敏感薄片所在平面平行放置，光電傳感器的發(fā)射端和接收端分別位于透光管路兩側(cè)。當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，施加在敏感薄片上的壓力使其中心平面產(chǎn)生橫向位移并遮擋光電傳感器中發(fā)射端和接收端之間的光路。隨著流體流速的增大，敏感薄片的中心平面的位移量增大，對(duì)光電傳感器發(fā)射端和接收端之間的紅外光路的遮擋程度增大，進(jìn)而導(dǎo)致光電傳感器接收端導(dǎo)通程度的降低，從而導(dǎo)致接收端電壓的降低。通過(guò)對(duì)所提出流速傳感器中的核心變形單元敏感薄片進(jìn)行力學(xué)分析(圖2)，確定敏感薄片的幾何參數(shù)。分別在氣體和液體中測(cè)定所提出的流速傳感器的基本性能，并將其集成在呼吸機(jī)和電子輸注泵中驗(yàn)證其在臨床應(yīng)用的可行性(圖3和圖4)。該工作不僅具有重要的基礎(chǔ)研究學(xué)術(shù)意義，而且具有很好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。
 

　　論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所在讀研究生曹馨芳，通訊作者為蘇業(yè)旺研究員。該工作得到了來(lái)自國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院的從0到1原始創(chuàng)新計(jì)劃等合作項(xiàng)目的支持。
 

　　圖1基于FPCBS的光電式流速傳感器的設(shè)計(jì)與制備工藝。(a)基于FPCBS的光電式流速傳感器示意圖。插圖:基于FPCBS的光電式流速傳感器的傳感原理簡(jiǎn)圖。(b)基于FPCBS的光電式流速傳感器的制備工藝。
 

　　圖2基于FPCBS的光電式流速傳感器的基本傳感性能和原理。(a)基于FPCBS的光電式流速傳感器光學(xué)圖像。(b)無(wú)流體流動(dòng)時(shí)，敏感薄片相對(duì)于紅外光路的狀態(tài)。(c)流體流動(dòng)時(shí)，敏感薄片相對(duì)于紅外光路的狀態(tài)。(d)通過(guò)有限元方法比較了四種不同柔性大變形結(jié)構(gòu)薄片的軸向位移。(e)所提出的FPCBS的力學(xué)幾何模型。(f)在相同壓力下參數(shù)r1對(duì)位移的影響。(g)在相同壓力下參數(shù)w對(duì)位移的影響。(h)在相同壓力下參數(shù)θ對(duì)位移的影響。(i)在相同壓力下參數(shù)t對(duì)位移的影響。(j)所設(shè)計(jì)的流速傳感器的外圍電路。(k)對(duì)薄片位移的電學(xué)響應(yīng)。
 

　　圖3流速傳感器檢測(cè)氣體流速的性能和應(yīng)用。(a)不同氣體流速下敏感薄片的光學(xué)圖像。(b)流速傳感器的相對(duì)電壓變化與氣體流速的關(guān)系。(c)在氣體流速為23SLPM(標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘)下，反復(fù)加載和卸載75個(gè)循環(huán)時(shí)的相對(duì)電壓變化。(d)前三個(gè)周期和后三個(gè)周期耐久性誤差的比較。(e)將流速傳感器置于強(qiáng)氣流下不同時(shí)間后，在氣體流速為12SLPM時(shí)，流速傳感器的相對(duì)電壓變化。(f)將流速傳感器應(yīng)用于家用呼吸機(jī)。插圖:容積輔助呼吸模式的壓力曲線。(g)呼吸引發(fā)的相對(duì)電壓變化。
 

　　圖4流速傳感器檢測(cè)液體流速的性能和應(yīng)用。(a)流速傳感器的相對(duì)電壓變化與流體流速的關(guān)系。(b)在液體流速為250mL/h下反復(fù)加載和卸載75個(gè)循環(huán)時(shí)的相對(duì)電壓變化。(c)循環(huán)加載中的前三個(gè)周期和后三個(gè)周期的耐久性誤差比較。(d)配有流速傳感器的商用電子輸液泵示意圖。(e)商業(yè)輸液泵滑塊的運(yùn)動(dòng)模式。(f)將流速傳感器應(yīng)用于商用輸注泵。(g)商用流速傳感器對(duì)輸注泵的響應(yīng)。插圖:一個(gè)周期內(nèi)的輸出信號(hào)。(h)所提出的流速傳感器對(duì)輸注泵的電學(xué)響應(yīng)。插圖:一個(gè)周期內(nèi)的兩個(gè)峰值。