Умные датчики: трансформация современной медицины

За последние 75 лет датчики играют всё более значительную роль в развитии медицины.

Медицинские датчики для мониторинга жизненных показателей — температуры, артериального давления, частоты сердечных сокращений и дыхания — становятся всё более сложными. Но датчики также полезны для измерения «жизненных показателей» медицинского оборудования.

Мониторинг температуры

Ртутные термометры десятилетиями использовались для измерения температуры тела. В 1970-х годах их заменили электронные версии с цифровым дисплеем. Это было минимально инвазивными устройствами, требующими введения в организм пациента.

Сегодня наиболее распространены бесконтактные температурные датчики на основе термокуполов, работающие как крошечная инфракрасная камера. Они измеряют излучаемую тепловую энергию кожи и выдают выходной сигнал, пропорциональный температуре кожи. Замеры занимают всего несколько секунд, а бесконтактный метод помогает избежать распространения бактерий и вирусов.

Упакованные в небольшие герметичные корпуса TO-5 или TO-18, их легко монтировать на печатной плате. Термокупол — это миниатюрный массив десятков или сотен термопар на кремниевом кристалле. Кристалл спроектирован так, что соединения на его верхней стороне экспонированы входящему ИК-излучению, а обратная сторона прикреплена к металлической основке и остается при температуре окружающей среды. Термопары соединены последовательно, поэтому их выходные сигналы суммируются. Сумма сигналов дает используемый выход с амплитудой в десятки милливольт.

Разрез типичного термокупола показан на рисунке 2. Кристалл смонтирован так, что он «смотрит» через окно, прозрачное только для инфракрасных длин волн. Это устраняет помехи от видимого света. Когда тепловая энергия от нагретого (или охлажденного) объекта проходит через окно, она падает на массив термопар и меняет температуру верхней поверхности относительно окружающей. Отдельный референсный датчик температуры прикреплен к металлической основке для измерения фоновой температуры, так что дифференциальный сигнал между термокуполом и референсным датчиком позволяет вычислить фактическую температуру измеряемого объекта. С последующей обработкой сигналов и компенсацией легко достигнуть точности в диапазоне ±1% – ±2%.

Мониторинг артериального давления

Практический манжета для измерения давления была разработана в 1905 году и используется до сих пор. Современный сфигмоманометр прост в использовании, но дает только косвенное измерение с широким диапазоном точности. Ручная манжета в руках обученного оператора может достигать точности почти 98%. Электронные и цифровые приборы для измерения давления обычно обеспечивают точность 70%. В обоих случаях они дают только среднее значение.

В недавно разработанных медицинских процедурах обнаружено, что прямое измерение артериального давления в месте операции дает хирургу более точные данные и улучшает исходы для пациента. Бизнес-юнит датчиков TE Connectivity недавно представил свой микродатчик внутрисосудистого давления Intrasense. Его наиболее яркая особенность — невероятно малый размер: общие размеры 800 мкм длины × 270 мкм ширины × 70 мкм высоты.

Intrasense — это MEMS-датчик абсолютного давления с клиническим диапазоном от -300 мм рт. ст. до +500 мм рт. ст. Полумостовая схема использует два пьезорезистивных элемента на MEMS-кристалле, которые меняют свои сопротивления при приложении давления. Сигнал передается на плату усиления и компенсации на проксимальном конце 300-миллиметровых проводников.

Датчик можно разместить на кончике очень тонкого катетера или проводника и использовать в удаленных локациях внутри тела, таких как камеры сердца, внутричерепные артерии или даже внутри почек во время критических хирургических процедур.

Мониторинг частоты сердечных сокращений и дыхания

В сотрудничестве со Стэнфордским исследовательским институтом (SRI) TE Connectivity разработала демонстрационный умный стул, способный измерять и частоту сердечных сокращений, и частоту дыхания человека, просто сидящего в нем. В сиденье и спинке стула стратегически размещены пьезополимерные пленочные элементы. Эти сенсорные элементы детектируют и сердцебиение, и дыхание.

Пьезополимерная пленка — уникальный материал из поливинилиденфторида (PVDF). Специальными производственными методами эту пленку делают пьезоэлектрической — свойством материалов генерировать электрический заряд при механическом напряжении. Пленка очень тонка (28 мкм), гибка и легко подстраивается под нагрузки внутри сиденья, когда кто-то садится.

Во время дыхания центр тяжести тела слегка смещается при расширении и сжатии грудной клетки с каждым вдохом. Пьезоэлементы в стуле детектируют эти динамические изменения и выдают используемый сигнал на электронику. Для измерения сердцебиения датчики используют баллистокардиографию — детекцию волны давления, нормальной к коже, возникающей от артериального пульса. Будущие версии этого демо добавят весовые датчики в ножки стула для взвешивания сидящего. Добавление нескольких дополнительных пьезодатчиков также поможет определить физические размеры человека. Вместе с данными о весе можно рассчитать индекс массы тела (ИМТ). Этот стул становится отличным инструментом для домашнего ухода за здоровьем, так как не требует квалифицированного медперсонала, а мини-осмотр можно провести в любое время — достаточно просто сесть и расслабиться.

Самоконтроль медицинского оборудования

Терапевтические и хирургические медицинские аппараты должны работать с очень высокой точностью. Чтобы гарантировать правильную работу прибора, разработчики теперь добавляют датчики, отслеживающие критические функции машины. Эти датчики могут работать двумя способами. Они могут быть частью контура обратной связи и управления, измеряющего параметр и вносящего коррективы в оборудование для поддержания заданных диапазонов. Датчик также может использоваться как предельный сигнал тревоги. Когда параметр выходит за спецификацию или машина неисправна, датчик оповещает оператора о неисправности и может даже отключить машину для защиты безопасности пациента.

Датчики, встроенные в современные медицинские вентиляторы — хорошие примеры этой техники. Блок-схема на рисунке 5 показывает внутреннее устройство типичной машины. Обратите внимание: все датчики, кроме одного, контролируют функции вентилятора. Только датчик CO₂ мониторит функцию пациента.

Домашний уход за здоровьем

В медицине наблюдается тренд на перевод пациентов из больниц в домашние условия. Дома пациенты чувствуют себя комфортнее. Они получают заботу от знакомых опекунов и быстрее выздоравливают. Датчики, встроенные в оборудование для домашнего ухода, делают аппараты надежными, простыми в эксплуатации и устраняют необходимость постоянного внимания медицинских профессионалов. Результаты — улучшенная безопасность пациентов и лучшие медицинские исходы.

Будущее

Во всей медицинской индустрии ведется работа по внедрению большего количества датчиков в аппараты и процедуры, используемые врачами и их командами. Добавление датчиков помогает следить за функциями и производительностью оборудования, что позволяет медикам сосредоточиться на пациенте и достигать лучших клинических результатов. Будь то мониторинг пациента или мониторинг медицинского аппарата для лечения пациентов, растущее использование датчиков принесет значительные преимущества миру медицины.

Статью написал Пит Смит, старший менеджер по поддержке продаж и маркетинга, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Шаффхаузен, Швейцария / Бервин, штат Пенсильвания). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Смитом по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. или посетите сайт .