Slimme Sensoren: De Modern Medische Zorg Transformerend

De afgelopen 75 jaar hebben sensoren een steeds belangrijkere rol gespeeld in de vooruitgang van de geneeskunde.

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

Temperatuurmonitoring

Glasbol thermometers zijn decennialang gebruikt om lichaamstemperatuur te meten. In de jaren '70 werden ze vervangen door elektronische versies met digitale displays. Dit waren minimaal invasieve apparaten die ergens in het lichaam van de patiënt moesten worden ingevoegd.

Vandaag de dag zijn de meest voorkomende apparaten thermopile-gebaseerde contactloze temperatuursensoren, die functioneren als een miniatuur infraroodcamera. Ze meten de uitgezonden thermische energie van de huid en leveren een uitgangssignaal evenredig aan de huidtemperatuur. Ze kunnen een meting in slechts enkele seconden uitvoeren, en omdat ze contactloos zijn, helpen ze de verspreiding van bacteriën en virussen te voorkomen.

In een kleine TO-5 of TO-18 hermetisch afgedichte behuizing verpakt, kunnen ze gemakkelijk op een printplaat worden gemonteerd. De thermopile is een miniatuur array van tientallen of honderden thermocouple-elementen op een siliciumchip. De chip is zo ontworpen dat dejuncties aan de bovenzijde blootgesteld zijn aan de binnenkomende IR-straling, terwijl de achterzijde aan een metaal header is bevestigd en op omgevingstemperatuur blijft. De thermocouples zijn in serie geschakeld zodat hun uitgangen optellen. De som van de signalen levert een bruikbare uitgang met een amplitude in de tientallen millivolt.

Een doorsnedeweergave van een typische thermopile is getoond in Figuur 2. De chip is gemonteerd zodat hij 'kijkt' door een venster dat alleen doorlatend is voor infrarode golflengtes. Dit helpt interferentie van zichtbaar licht te elimineren. Als thermische energie van een verwarmd (of afgekoeld) object het venster binnenkomt, botst het op de thermocouple-array en verandert de bovenste oppervlaktetemperatuur van omgevingstemperatuur. Een aparte referentietemperatuursensor is aan de metaal header bevestigd om de omgeving te meten, zodat het differentiële signaal tussen de thermopile en de referentie kan worden gebruikt om de werkelijke temperatuur van het gemeten object te berekenen. Met enkele downstream signaalverwerking en compensatie zijn nauwkeurigheden in het bereik van ±1% – ±2% gemakkelijk bereikbaar.

Arteriële Bloeddrukmonitoring

Een praktische bloeddrukmanschet werd in 1905 ontwikkeld en wordt tot op de dag van vandaag gebruikt. De moderne sphygmomanometer is gemakkelijk te gebruiken, maar levert alleen een indirecte meting met een brede nauwkeurigheidsbereik. Een handmatige bloeddrukmanschet in handen van een getrainde operator kan nauwkeurigheden van bijna 98% bereiken. Elektronische en digitale bloeddrukapparaten bereiken doorgaans 70% nauwkeurigheid. In beide gevallen leveren ze alleen een gemiddelde waarde.

In recent ontwikkelde medische procedures is ontdekt dat een directe bloeddrukmeting op de operatielocatie betere data aan de chirurg levert en betere uitkomsten voor de patiënt. TE Connectivity's Sensors Business Unit heeft recent hun Intrasense micro bloeddruksensor geïntroduceerd. Het meest opvallende kenmerk is de extreem kleine afmeting — algehele afmetingen zijn 800 µm L x 270 µm W x 70 µm H.

De Intrasense is een MEMS-gebaseerde absolute druksensor met een klinisch bereik van -300 mmHg tot +500 mmHg. Het half-brug ontwerp gebruikt twee piezoresistieve elementen op de MEMS-die die hun weerstandswaarden veranderen wanneer druk wordt toegepast. Het signaal wordt geleverd aan een versterkings- en compensatieprintplaat aan het proximale einde van de 300 mm draadlijnen.

De sensor kan aan de punt van een zeer fijne catheter of gidsdraad worden geplaatst, en vervolgens gebruikt worden in afgelegen locaties binnen het lichaam, zoals hartkamers, intracraniële arteriën, of zelfs in de nieren, tijdens cruciale chirurgische ingrepen.

Hartslag- En Ademhalingsfrequentie Monitoring

In samenwerking met het Stanford Research Institute (SRI) heeft TE Connectivity een demonstratie slimme stoel ontwikkeld die zowel de hartslag als de ademhalingsfrequentie van een persoon kan meten die er gewoon stil in zit. De stoel heeft piezo polymer film elementen strategisch geplaatst in de zitplaats en rugleuning. Deze meetelementen detecteren zowel hartslag als ademhaling.

Piezo polymer film is een uniek materiaal gemaakt van polyvinylidene fluoride (PVDF). Met speciale productietechnieken kan deze film piezoelectrisch worden gemaakt, een eigenschap waarbij materialen een elektrische lading genereren wanneer ze aan mechanische spanning worden blootgesteld. De film is erg dun (28 µm), buigzaam, en past zich gemakkelijk aan en detecteert de spanningsbelasting binnen het zitkussen als iemand neerzet.

Tijdens ademhaling beweegt het zwaartepunt van het lichaam lichtjes doordat de ribbekast uitdunt en samentrekt met elke ademhaling. De piezo-elementen in de stoel detecteren deze dynamische veranderingen en leveren een bruikbaar signaal aan de elektronica. Voor de hartslag gebruiken de sensoren ballistocardiografie, wat de detectie is van een druk golf normaal op de huid die geproduceerd wordt door arteriële pulsering. Toekomstige versies van deze demo zullen lastcellen aan de poten van de stoel toevoegen, zodat de bezitter gewogen kan worden. Het toevoegen van diverse meer piezo-sensoren zal ook helpen de fysieke grootte van de bezitter te detecteren. Samen met gewichtsdata kan een body-mass index (BMI) worden berekend. Deze stoel wordt een uitstekend hulpmiddel voor thuiszorgtoepassingen omdat geen getrainde medisch professional nodig is, en een mini 'check-up' kan worden uitgevoerd op elk moment — gewoon stil neerzitten en ontspannen.

Zelfmonitoring Van Medische Apparatuur

Therapeutische en chirurgische medische machines moeten met zeer hoge nauwkeurigheidsniveaus presteren. Om te zorgen dat het instrument correct functioneert, voegen ontwerpers nu sensoren toe die kritieke machinefuncties in de gaten houden. 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 gebruikt worden als een limietalarm. Wanneer een parameter buiten specificatie gaat of de machine op een of andere manier defect raakt, waarschuwt de sensor de operator over de foutconditie en kan de machine zelfs uitschakelen om de patiëntveiligheid te beschermen.

De sensoren die in moderne medische ventilatoren ingebouwen zijn, zijn goede voorbeelden van deze techniek. Het blokdiagram in Figuur 5 toont de binnenwerking van een typische machine. Let op dat alle sensoren, behalve één, de functies van de ventilator monitoren. De CO₂ sensor is de enige die een functie van de patiënt monitoren.

Thuiszorg

Er is een trend in de geneeskunde om patiënten uit ziekenhuizen naar thuiszorgomgevingen te verplaatsen. Patiënten voelen zich thuis wohler. Ze krijgen aandacht van vertrouwde verzorgers en herstellen sneller van ziekten. De sensoren die in thuiszorgapparatuur ingebouwd zijn, maken de machines betrouwbaar, eenvoudig te bedienen, en elimineren de behoefte aan constante aandacht van medische professionals. Het resultaat is verbeterde patiëntveiligheid en betere medische uitkomsten.

De Toekomst

Er wordt gewerkt in de gehele medische industrie om meer sensoren in de machines en procedures te integreren die door artsen en hun teams worden gebruikt. De toevoeging van sensoren helpt om een oog te houden op de functies en prestaties van de apparatuur, wat medische professionals in staat stelt hun aandacht te richten op de patiënt en betere klinische resultaten te creëren. Of ze nu worden gebruikt om een patiënt te monitoren, of de medische machine die gebruikt wordt om patiënten te behandelen, het groeiende gebruik van sensoren zal significante voordelen brengen voor de wereld van de geneeskunde.

Dit artikel is geschreven door Pete Smith, Sr. Manager, Sales and Marketing Support, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Schaffhausen, Zwitserland/Berwyn, PA). Voor meer informatie, neem contact op met Mr. Smith via dit e-mailadres (beschermd tegen spambots, JavaScript vereist), of bezoek hier.