Slimme sensoren verbeteren de medische zorg

In de afgelopen 75 jaar hebben sensoren een steeds grotere rol gespeeld in de vooruitgang van de geneeskunde.

Medische sensoren voor het bewaken van de vitale functies van mensen, waaronder temperatuur, bloeddruk, hartslag en ademhalingsfrequentie, zijn steeds geavanceerder geworden. Maar sensoren zijn ook handig voor het meten van de vitale functies van medische apparatuur.

Temperatuurbewaking

Glazen bolthermometers worden al tientallen jaren gebruikt om lichaamstemperatuur te meten. In de jaren zeventig werden ze vervangen door elektronische versies met digitale displays. Dit waren minimaal invasieve apparaten en moesten ergens in het lichaam van de patiënt worden ingebracht.

Tegenwoordig zijn de meest voorkomende apparaten op thermozuilen gebaseerde contactloze temperatuursensoren, die werken als een kleine infraroodcamera. Ze meten de uitgestraalde thermische energie van de huid en leveren een uitgangssignaal dat evenredig is met de huidtemperatuur. Ze kunnen in slechts enkele seconden een meting uitvoeren en door contactloos te zijn, kan de verspreiding van bacteriën en virussen worden voorkomen.

Verpakt in een kleine TO-5 of TO-18 hermetisch afgesloten behuizing, kunnen ze eenvoudig op een printplaat worden gemonteerd. De thermozuil is een miniatuurreeks van tientallen of honderden thermokoppelelementen op een siliciumchip. De chip is zo ontworpen dat de knooppunten aan de bovenkant worden blootgesteld aan de inkomende IR-straling, terwijl de achterkant is bevestigd aan een metalen kop en op omgevingstemperatuur blijft. De thermokoppels zijn in serie geschakeld zodat hun uitgangen optellen. De som van de signalen levert een bruikbare output op met een amplitude in de tientallen millivolt.

Een opengewerkt aanzicht van een typische thermozuil wordt getoond in figuur 2. De chip is zo gemonteerd dat hij "kijkt" door een venster dat alleen transparant is voor infrarode golflengten. Dit helpt interferentie van zichtbaar licht te elimineren. Als thermische energie van een verwarmd (of gekoeld) object het raam binnenkomt, valt het op de thermokoppel-array en verandert de temperatuur van het bovenoppervlak ten opzichte van de omgevingstemperatuur. Een aparte referentietemperatuursensor is bevestigd aan de metalen kop om de omgevingstemperatuur te meten, zodat het verschilsignaal tussen de thermozuil en de referentie kan worden gebruikt om de werkelijke temperatuur van het te meten object te berekenen. Met enige stroomafwaartse signaalverwerking en compensatie zijn nauwkeurigheden in het bereik van ±1% – ±2% gemakkelijk haalbaar.

Arteriële bloeddrukmeting

Een praktische bloeddrukmanchet werd in 1905 ontwikkeld en wordt tot op de dag van vandaag gebruikt. De moderne bloeddrukmeter is eenvoudig in gebruik, maar geeft alleen een indirecte meting met een breed nauwkeurigheidsbereik. Een handmatige bloeddrukmanchet in de handen van een getrainde operator kan een nauwkeurigheid van bijna 98% bereiken. Elektronische en digitale bloeddrukmeters bereiken doorgaans een nauwkeurigheid van 70%. In beide gevallen geven ze slechts een gemiddelde waarde.

In recent ontwikkelde medische procedures is ontdekt dat een directe bloeddrukmeting op de plaats van een operatie betere gegevens oplevert voor de chirurg en betere resultaten voor de patiënt. De Sensors Business Unit van TE Connectivity heeft onlangs hun Intrasense microbloeddruksensor geïntroduceerd. Het meest opvallende kenmerk is het extreem kleine formaat - de totale afmetingen zijn 800 µm L x 270 µm B x 70 µm H.

De Intrasense is een op MEMS gebaseerde absolute druksensor met een klinisch bereik van -300 mmHg tot +500 mmHg. Het halve brugontwerp maakt gebruik van twee piëzoresistieve elementen op de MEMS-matrijs die hun weerstandswaarden veranderen als er druk wordt uitgeoefend. Het signaal wordt geleverd aan een versterkings- en compensatieprintplaat aan het proximale uiteinde van de 300 mm-draaddraden.

De sensor kan op de punt van een zeer fijne katheter of voerdraad worden geplaatst en vervolgens worden gebruikt op afgelegen locaties in het lichaam, zoals hartkamers, intercraniale slagaders of zelfs in de nieren, tijdens kritieke chirurgische ingrepen.

Hartslag- en ademhalingsfrequentiebewaking

In samenwerking met het Stanford Research Institute (SRI) heeft TE Connectivity een slimme demonstratiestoel ontwikkeld die zowel de hartslag als de ademhaling kan meten van een persoon die er gewoon stil in zit. De stoel heeft piëzo-polymeerfilmelementen die strategisch in de zitting en rugleuning zijn geplaatst. Deze sensorelementen detecteren zowel de hartslag als de ademhaling.

Piëzo-polymeerfilm is een uniek materiaal gemaakt van polyvinylideenfluoride (PVDF). Met speciale fabricagetechnieken kan deze film piëzo-elektrisch worden gemaakt, een eigenschap waarbij materialen een elektrische lading genereren wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische belasting. De film is erg dun (28 m), buigzaam en zal zich gemakkelijk aanpassen aan en detecteren van de spanningsbelastingen in het zitkussen als iemand gaat zitten.

Tijdens de ademhaling beweegt het zwaartepunt van het lichaam iets naarmate de ribbenkast uitzet en samentrekt bij elke ademhaling. De piëzo-elementen in de stoel detecteren deze dynamische veranderingen en geven een bruikbaar signaal aan de elektronica. Voor de hartslag maken de sensoren gebruik van ballistocardiografie, wat de detectie is van een drukgolf die normaal is voor de huid en die wordt geproduceerd door arteriële pulsen. Toekomstige versies van deze demo zullen loadcellen aan de voeten van de stoel toevoegen, zodat de inzittende kan worden gewogen. Het toevoegen van meerdere piëzosensoren zal ook helpen om de fysieke grootte van de bewoner te detecteren. Samen met gewichtsgegevens kan een body-mass index (BMI) worden berekend. Deze stoel wordt een uitstekend hulpmiddel voor thuiszorgtoepassingen omdat er geen getrainde medische professional nodig is, en een mini-"check-up" kan op elk moment worden uitgevoerd - ga gewoon rustig zitten en ontspan.

Zelfcontrole medische apparatuur

Therapeutische en chirurgische medische machines moeten zeer nauwkeurig werken. Om ervoor te zorgen dat het instrument goed werkt, voegen ontwerpers nu sensoren toe die kritieke machinefuncties bijhouden. Deze sensoren kunnen op twee manieren werken. Ze kunnen deel uitmaken van een feedback- en regellus die een parameter meet en vervolgens aanpassingen aan de apparatuur maakt om deze binnen gespecificeerde bereiken te laten werken. De sensor kan ook worden gebruikt als grensalarm. Wanneer een parameter buiten de specificaties valt of de machine op de een of andere manier niet goed werkt, waarschuwt de sensor de operator over de storingsconditie en kan de machine zelfs uitschakelen om de veiligheid van de patiënt te beschermen.

De sensoren die zijn ingebouwd in moderne medische ventilatoren zijn goede voorbeelden van deze techniek. Het blokschema in figuur 5 toont de interne werking van een typische machine. Merk op dat op één na alle sensoren de functies van het beademingsapparaat bewaken. De CO ₂ sensor is de enige die een functie van de patiënt bewaakt.

Thuiszorg

Er is een trend in de geneeskunde om patiënten uit ziekenhuizen en thuiszorginstellingen te verplaatsen. Patiënten voelen zich prettiger thuis. Ze krijgen aandacht van bekende zorgverleners en herstellen sneller van kwaaltjes. De sensoren die in de thuiszorgapparatuur zijn ingebouwd, maken de machines betrouwbaar, eenvoudig te bedienen en elimineren de noodzaak voor constante aandacht van medische professionals. De resultaten zijn verbeterde patiëntveiligheid en betere medische resultaten.

De Toekomst

In de hele medische industrie wordt gewerkt aan het integreren van meer sensoren in de machines en procedures die door artsen en hun teams worden gebruikt. De toevoeging van sensoren helpt de functies en prestaties van de apparatuur in de gaten te houden, waardoor de medische professionals hun ogen op de patiënt kunnen richten en betere klinische resultaten kunnen behalen. Of het nu gaat om het bewaken van een patiënt of het bewaken van de medische machine die wordt gebruikt om patiënten te behandelen, het toenemende gebruik van sensoren zal aanzienlijke voordelen opleveren voor de medische wereld.

Dit artikel is geschreven door Pete Smith, Sr. Manager, Sales and Marketing Support, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Schaffhausen, Zwitserland/Berwyn, PA). Neem voor meer informatie contact op met de heer Smith via Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien., of bezoek hier .