【儀表網 研發快訊】許多臨床治療過程中有流體參與，例如輸注泵中的藥液，呼吸機中的空氣等等，保證藥物輸注過程中的精確給藥以及人工通氣過程中的精確送氣可降低患者的發病率及死亡率，因此，精確地測量流體流速在臨床治療中具有十分重要的意義。然而，當前的流速傳感器造價較高，限制了其在成本有限的醫療器械中的應用。近來，中國科學院力學研究所蘇業旺研究員團隊設計并制備了一款基于柔性平面曲梁結構(FPCBS)的光電式流速傳感器，該傳感器對氣體和液體的流速測量都具有高靈敏度、良好的機械耐久性以及可靠的結構魯棒性等優勢，同時具有造價低廉，實用性強，與藥液接觸部分材料具有生物相容性的特點，適合在現有醫療器械內廣泛推廣。該研究成果以“Low-Cost Photoelectric Flow Rate Sensors Based on a Flexible Planar Curved Beam Structure for Clinical Treatments”為題近期發表在國際期刊《先進醫療材料》(Advanced Healthcare Materials)上。
基于柔性平面曲梁結構(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，并把光電傳感器與敏感薄片所在平面平行放置，光電傳感器的發射端和接收端分別位于透光管路兩側。當流體流動時，施加在敏感薄片上的壓力使其中心平面產生橫向位移并遮擋光電傳感器中發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，對光電傳感器發射端和接收端之間的紅外光路的遮擋程度增大，進而導致光電傳感器接收端導通程度的降低，從而導致接收端電壓的降低。通過對所提出流速傳感器中的核心變形單元敏感薄片進行力學分析(圖2)，確定敏感薄片的幾何參數。分別在氣體和液體中測定所提出的流速傳感器的基本性能，并將其集成在呼吸機和電子輸注泵中驗證其在臨床應用的可行性(圖3和圖4)。該工作不僅具有重要的基礎研究學術意義，而且具有很好的產業化應用前景。
論文第一作者為中國科學院力學研究所在讀研究生曹馨芳，通訊作者為蘇業旺研究員。該工作得到了來自國家自然科學基金委、中國科學院的從0到1原始創新計劃等合作項目的支持。
圖1基于FPCBS的光電式流速傳感器的設計與制備工藝。(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圖像。(b)無流體流動時，敏感薄片相對于紅外光路的狀態。(c)流體流動時，敏感薄片相對于紅外光路的狀態。(d)通過有限元方法比較了四種不同柔性大變形結構薄片的軸向位移。(e)所提出的FPCBS的力學幾何模型。(f)在相同壓力下參數r1對位移的影響。(g)在相同壓力下參數w對位移的影響。(h)在相同壓力下參數θ對位移的影響。(i)在相同壓力下參數t對位移的影響。(j)所設計的流速傳感器的外圍電路。(k)對薄片位移的電學響應。
圖3流速傳感器檢測氣體流速的性能和應用。(a)不同氣體流速下敏感薄片的光學圖像。(b)流速傳感器的相對電壓變化與氣體流速的關系。(c)在氣體流速為23SLPM(標準升每分鐘)下，反復加載和卸載75個循環時的相對電壓變化。(d)前三個周期和后三個周期耐久性誤差的比較。(e)將流速傳感器置于強氣流下不同時間后，在氣體流速為12SLPM時，流速傳感器的相對電壓變化。(f)將流速傳感器應用于家用呼吸機。插圖:容積輔助呼吸模式的壓力曲線。(g)呼吸引發的相對電壓變化。
圖4流速傳感器檢測液體流速的性能和應用。(a)流速傳感器的相對電壓變化與流體流速的關系。(b)在液體流速為250mL/h下反復加載和卸載75個循環時的相對電壓變化。(c)循環加載中的前三個周期和后三個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)商業輸液泵滑塊的運動模式。(f)將流速傳感器應用于商用輸注泵。(g)商用流速傳感器對輸注泵的響應。插圖:一個周期內的輸出信號。(h)所提出的流速傳感器對輸注泵的電學響應。插圖:一個周期內的兩個峰值。
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