【仪表网 研发快讯】许多临床治疗过程中有流体参与，例如输注泵中的药液，呼吸机中的空气等等，保证药物输注过程中的精确给药以及人工通气过程中的精确送气可降低患者的发病率及死亡率，因此，精确地测量流体流速在临床治疗中具有十分重要的意义。然而，当前的流速传感器造价较高，限制了其在成本有限的医疗器械中的应用。近来，中国科学院力学研究所苏业旺研究员团队设计并制备了一款基于柔性平面曲梁结构(FPCBS)的光电式流速传感器，该传感器对气体和液体的流速测量都具有高灵敏度、良好的机械耐久性以及可靠的结构鲁棒性等优势，同时具有造价低廉，实用性强，与药液接触部分材料具有生物相容性的特点，适合在现有医疗器械内广泛推广。该研究成果以“Low-Cost Photoelectric Flow Rate Sensors Based on a Flexible Planar Curved Beam Structure for Clinical Treatments”为题近期发表在国际期刊《先进医疗材料》(Advanced Healthcare Materials)上。
基于柔性平面曲梁结构(FPCBS)的光电式流速传感器(图1)传感原理为将敏感片垂直放置在透光管路内，并把光电传感器与敏感薄片所在平面平行放置，光电传感器的发射端和接收端分别位于透光管路两侧。当流体流动时，施加在敏感薄片上的压力使其中心平面产生横向位移并遮挡光电传感器中发射端和接收端之间的光路。随着流体流速的增大，敏感薄片的中心平面的位移量增大，对光电传感器发射端和接收端之间的红外光路的遮挡程度增大，进而导致光电传感器接收端导通程度的降低，从而导致接收端电压的降低。通过对所提出流速传感器中的核心变形单元敏感薄片进行力学分析(图2)，确定敏感薄片的几何参数。分别在气体和液体中测定所提出的流速传感器的基本性能，并将其集成在呼吸机和电子输注泵中验证其在临床应用的可行性(图3和图4)。该工作不仅具有重要的基础研究学术意义，而且具有很好的产业化应用前景。
论文第一作者为中国科学院力学研究所在读研究生曹馨芳，通讯作者为苏业旺研究员。该工作得到了来自国家自然科学基金委、中国科学院的从0到1原始创新计划等合作项目的支持。
图1基于FPCBS的光电式流速传感器的设计与制备工艺。(a)基于FPCBS的光电式流速传感器示意图。插图:基于FPCBS的光电式流速传感器的传感原理简图。(b)基于FPCBS的光电式流速传感器的制备工艺。
图2基于FPCBS的光电式流速传感器的基本传感性能和原理。(a)基于FPCBS的光电式流速传感器光学图像。(b)无流体流动时，敏感薄片相对于红外光路的状态。(c)流体流动时，敏感薄片相对于红外光路的状态。(d)通过有限元方法比较了四种不同柔性大变形结构薄片的轴向位移。(e)所提出的FPCBS的力学几何模型。(f)在相同压力下参数r1对位移的影响。(g)在相同压力下参数w对位移的影响。(h)在相同压力下参数θ对位移的影响。(i)在相同压力下参数t对位移的影响。(j)所设计的流速传感器的外围电路。(k)对薄片位移的电学响应。
图3流速传感器检测气体流速的性能和应用。(a)不同气体流速下敏感薄片的光学图像。(b)流速传感器的相对电压变化与气体流速的关系。(c)在气体流速为23SLPM(标准升每分钟)下，反复加载和卸载75个循环时的相对电压变化。(d)前三个周期和后三个周期耐久性误差的比较。(e)将流速传感器置于强气流下不同时间后，在气体流速为12SLPM时，流速传感器的相对电压变化。(f)将流速传感器应用于家用呼吸机。插图:容积辅助呼吸模式的压力曲线。(g)呼吸引发的相对电压变化。
图4流速传感器检测液体流速的性能和应用。(a)流速传感器的相对电压变化与流体流速的关系。(b)在液体流速为250mL/h下反复加载和卸载75个循环时的相对电压变化。(c)循环加载中的前三个周期和后三个周期的耐久性误差比较。(d)配有流速传感器的商用电子输液泵示意图。(e)商业输液泵滑块的运动模式。(f)将流速传感器应用于商用输注泵。(g)商用流速传感器对输注泵的响应。插图:一个周期内的输出信号。(h)所提出的流速传感器对输注泵的电学响应。插图:一个周期内的两个峰值。
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