Умные датчики улучшают медицинское обслуживание

За последние 75 лет датчики стали играть все более важную роль в развитии медицины.

Медицинские датчики для мониторинга показателей жизнедеятельности людей, включая температуру, артериальное давление, частоту сердечных сокращений и частоту дыхания, становятся все более изощренными. Но датчики также полезны для измерения показателей жизнедеятельности медицинского оборудования.

Мониторинг температуры

Термометры со стеклянной колбой десятилетиями использовались для измерения температуры тела. В 1970-х их заменили электронные версии с цифровыми дисплеями. Это были минимально инвазивные устройства, и их нужно было вводить куда-то в тело пациента.

Сегодня наиболее распространенными устройствами являются бесконтактные датчики температуры на основе термобатарей, которые работают как крошечная инфракрасная камера. Они измеряют излучаемую тепловую энергию кожи и выдают выходной сигнал, пропорциональный температуре кожи. Они могут снять показания всего за несколько секунд, а будучи бесконтактными, могут помочь избежать распространения бактерий и вирусов.

Помещенные в небольшой герметичный корпус ТО-5 или ТО-18, они легко монтируются на печатной плате. Термобатарея представляет собой миниатюрный массив из десятков или сотен термопарных элементов на кремниевой микросхеме. Чип сконструирован таким образом, что соединения на его верхней стороне подвергаются входящему ИК-излучению, а задняя сторона прикреплена к металлическому разъему и остается при температуре окружающей среды. Термопары соединены последовательно, так что их выходы складываются. Сумма сигналов обеспечивает полезный выходной сигнал с амплитудой в десятки милливольт.

Вид в разрезе типичной термобатареи показан на рис. 2. Чип установлен так, что он «смотрит» через окно, прозрачное только для инфракрасных волн. Это помогает устранить помехи от видимого света. Когда тепловая энергия от нагретого (или охлажденного) объекта поступает в окно, она попадает на массив термопар и изменяет температуру его верхней поверхности по сравнению с окружающей средой. Отдельный эталонный датчик температуры прикреплен к металлическому коллектору для измерения температуры окружающей среды, поэтому дифференциальный сигнал между термобатареей и эталоном можно использовать для расчета фактической температуры измеряемого объекта. С некоторой последующей обработкой и компенсацией сигналов точность в диапазоне ±1 – ±2 % легко достигается.

Мониторинг артериального давления

Практичная манжета для измерения артериального давления была разработана в 1905 году и используется по сей день. Современный сфигмоманометр прост в использовании, но обеспечивает только непрямое измерение с широким диапазоном точности. Ручная манжета для измерения АД в руках обученного оператора может обеспечить точность почти 98%. Электронные и цифровые приборы для измерения артериального давления обычно достигают 70% точности. В обоих случаях они дают только среднее значение.

В недавно разработанных медицинских процедурах было обнаружено, что прямое измерение АД на месте операции предоставляет хирургу более точные данные и лучшие результаты для пациента. Подразделение датчиков TE Connectivity недавно представило свой микродатчик артериального давления Intrasense. Его наиболее яркой особенностью является чрезвычайно маленький размер — габаритные размеры составляют 800 мкм (Д) x 270 мкм (Ш) x 70 мкм (В).

Intrasense — это датчик абсолютного давления на основе МЭМС с клиническим диапазоном от -300 мм рт.ст. до +500 мм рт.ст. В полумостовой конструкции используются два пьезорезистивных элемента на кристалле МЭМС, которые изменяют свои значения сопротивления при приложении давления. Сигнал подается на печатную плату усиления и компенсации на проксимальном конце 300-мм проводов.

Датчик можно разместить на кончике очень тонкого катетера или проводника, а затем использовать в отдаленных местах внутри тела, например в камерах сердца, межчерепных артериях или даже в почках, во время критических хирургических процедур.

Мониторинг сердечного ритма и частоты дыхания

В сотрудничестве со Стэнфордским исследовательским институтом (SRI) компания TE Connectivity разработала демонстрационное умное кресло, которое может измерять как частоту сердечных сокращений, так и частоту дыхания человека, который просто сидит в нем. Стул имеет элементы из пьезополимерной пленки, стратегически расположенные на сиденье и спинке. Эти чувствительные элементы обнаруживают как сердцебиение, так и дыхание.

Пьезополимерная пленка — это уникальный материал, изготовленный из поливинилиденфторида (ПВДФ). С помощью специальных производственных технологий эту пленку можно сделать пьезоэлектрической — свойство, при котором материалы генерируют электрический заряд, когда подвергаются механическому воздействию. Пленка очень тонкая (28 мкм), податливая и легко принимает и обнаруживает стрессовые нагрузки внутри подушки сиденья, когда кто-то садится.

Во время дыхания центр тяжести тела слегка перемещается, поскольку грудная клетка расширяется и сжимается при каждом вдохе. Пьезоэлементы в кресле обнаруживают эти динамические изменения и подают полезный сигнал электронике. Для сердцебиения датчики используют баллистокардиографию, которая представляет собой обнаружение волны давления, нормальной к коже, которая создается артериальной пульсацией. В будущих версиях этой демонстрации к ножкам кресла будут добавлены тензодатчики, чтобы пассажира можно было взвесить. Добавление еще нескольких пьезодатчиков также поможет определить физический размер человека. Наряду с данными о весе можно рассчитать индекс массы тела (ИМТ). Это кресло становится отличным инструментом для домашнего медицинского обслуживания, потому что не требуется квалифицированный медицинский работник, а мини-осмотр можно провести в любое время — просто сядьте спокойно и расслабьтесь.

Самоконтроль медицинского оборудования

Терапевтические и хирургические медицинские машины должны работать с очень высоким уровнем точности. Чтобы обеспечить правильную работу прибора, конструкторы теперь добавляют датчики, которые отслеживают критические функции машины. Эти датчики могут работать одним из двух способов. Их можно сделать частью контура обратной связи и управления, который измеряет параметр, а затем вносит коррективы в оборудование, чтобы поддерживать его работу в заданных диапазонах. Датчик также может использоваться в качестве сигнализатора предельного значения. Когда параметр выходит за пределы спецификации или в аппарате происходит какая-либо неисправность, датчик предупреждает оператора о неисправности и даже может отключить аппарат для обеспечения безопасности пациента.

Датчики, встроенные в современные аппараты искусственной вентиляции легких, являются хорошим примером этой техники. Блок-схема на рисунке 5 показывает внутреннюю работу типичной машины. Обратите внимание, что все датчики, кроме одного, контролируют работу аппарата ИВЛ. СО ₂ датчик является единственным, который контролирует функцию пациента.

Домашнее здравоохранение

В медицине наблюдается тенденция к перемещению пациентов из больниц в медицинские учреждения на дому. Пациентам комфортнее дома. Они привлекают внимание знакомых опекунов и быстрее выздоравливают от недугов. Датчики, встроенные в домашнее медицинское оборудование, делают машины надежными, простыми в эксплуатации и устраняют необходимость постоянного внимания со стороны медицинских работников. В результате повышается безопасность пациентов и улучшаются медицинские результаты.

Будущее

В медицинской отрасли ведется работа по включению большего количества датчиков в машины и процедуры, используемые врачами и их бригадами. Добавление датчиков помогает следить за функциями и производительностью оборудования, что позволяет медицинским работникам обращать внимание на пациента и добиваться лучших клинических результатов. Независимо от того, используются ли они для наблюдения за пациентом или для наблюдения за медицинской машиной, используемой для лечения пациентов, растущее использование датчиков принесет значительные преимущества в мир медицины.

Эта статья была написана Питом Смитом (Pete Smith), старшим менеджером по поддержке продаж и маркетинга, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Шаффхаузен, Швейцария/Бервин, Пенсильвания). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Смитом по адресу Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра или посетите здесь .