Intelligente Sensoren: Transformation der modernen medizinischen Versorgung

In den letzten 75 Jahren haben Sensoren eine zunehmend bedeutende Rolle bei der Weiterentwicklung der Medizin gespielt.

Medizinische Sensoren zur Überwachung von Vitalfunktionen – einschließlich Temperatur, Blutdruck, Herzfrequenz und Atemfrequenz – sind zunehmend raffinierter geworden. Doch Sensoren sind auch nützlich, um die Vitalfunktionen medizinischer Geräte zu messen.

Temperaturüberwachung

Quecksilberthermometer wurden jahrzehntelang zur Messung der Körpertemperatur verwendet. In den 1970er Jahren wurden sie durch elektronische Versionen mit digitaler Anzeige ersetzt. Diese minimal-invasiven Geräte mussten in den Körper des Patienten eingeführt werden.

Heute sind die gängigsten Geräte thermopilebasierte berührungslose Temperatursensoren, die wie eine winzige Infrarotkamera funktionieren. Sie messen die abgestrahlte Wärmeenergie der Haut und liefern ein Ausgangssignal proportional zur Hauttemperatur. Sie liefern einen Messwert in wenigen Sekunden und vermeiden durch den berührungslosen Einsatz die Ausbreitung von Bakterien und Viren.

In einem kleinen TO-5- oder TO-18-hermetisch abgedichteten Gehäuse verpackt, lassen sie sich leicht auf einer Leiterplatte montieren. Der Thermopile ist ein miniaturisiertes Array aus Dutzenden oder Hunderten von Thermopaarelementen auf einem Siliziumchip. Der Chip ist so gestaltet, dass die Übergänge auf der Oberseite der einfallenden IR-Strahlung ausgesetzt sind, während die Rückseite an einem Metallheader befestigt ist und Umgebungstemperatur aufweist. Die Thermopaare sind in Reihe geschaltet, sodass sich ihre Ausgänge addieren. Die Summe der Signale liefert einen nutzbaren Ausgang mit einer Amplitude im Bereich von Zehn Millivolt.

Ein Querschnittsbild eines typischen Thermopiles ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Chip ist so montiert, dass er durch ein Fenster „blickt“, das nur für Infrarotwellenlängen transparent ist. Dies eliminiert Störungen durch sichtbares Licht. Wenn thermische Energie eines erwärmten (oder gekühlten) Objekts durch das Fenster eindringt, trifft sie auf das Thermopaar-Array und ändert dessen Oberflächentemperatur von der Umgebungstemperatur. Ein separater Referenztemperatursensor ist am Metallheader befestigt, um die Umgebungstemperatur zu messen, sodass das differentielle Signal zwischen Thermopile und Referenz zur Berechnung der tatsächlichen Objekttemperatur verwendet werden kann. Mit nachgeschalteter Signalverarbeitung und Kompensation sind Genauigkeiten im Bereich von ±1 % bis ±2 % leicht erreichbar.

Arterieller Blutdruck-Monitoring

Eine praktische Blutdruckmanschette wurde 1905 entwickelt und wird bis heute verwendet. Das moderne Sphygmomanometer ist einfach zu bedienen, liefert jedoch nur eine indirekte Messung mit einem breiten Genauigkeitsbereich. Eine manuelle BP-Manschette in den Händen eines geschulten Bedieners kann Genauigkeiten von fast 98 % erreichen. Elektronische und digitale Blutdruckgeräte erreichen typischerweise 70 % Genauigkeit. In beiden Fällen liefern sie nur einen Durchschnittswert.

Bei kürzlich entwickelten medizinischen Verfahren hat sich gezeigt, dass eine direkte BP-Messung an der Operationsstelle dem Chirurgen bessere Daten und dem Patienten bessere Ergebnisse liefert. Die Sensorsparte von TE Connectivity hat kürzlich ihren Intrasense-Mikro-Blutdrucksensor vorgestellt. Sein markantestes Merkmal ist die extrem kleine Größe – Gesamtabmessungen: 800 µm L x 270 µm B x 70 µm H.

Der Intrasense ist ein MEMS-basierter Absolutdrucksensor mit einem klinischen Bereich von -300 mmHg bis +500 mmHg. Das Halbbrücken-Design nutzt zwei piezoresistive Elemente auf dem MEMS-Die, die ihre Widerstandswerte ändern, wenn Druck ausgeübt wird. Das Signal wird an eine Verstärker- und Kompensations-Leiterplatte am proximalen Ende der 300 mm langen Anschlussdrähte geliefert.

Der Sensor kann an der Spitze eines sehr feinen Katheters oder Führungsdrahts platziert und dann in entfernten Körperbereichen eingesetzt werden, wie Herzkammern, intrakraniellen Arterien oder sogar in den Nieren während kritischer chirurgischer Eingriffe.

Herzfrequenz- und Atemfrequenz-Überwachung

In Zusammenarbeit mit dem Stanford Research Institute (SRI) hat TE Connectivity einen demonstrierten intelligenten Stuhl entwickelt, der sowohl die Herzfrequenz als auch die Atemfrequenz einer Person messen kann, die einfach still darin sitzt. Der Stuhl verfügt über strategisch im Sitz und in der Rückenlehne platzierte Piezo-Polymerfilm-Elemente. Diese Messelemente erkennen sowohl Herzschlag als auch Atmung.

Piezo-Polymerfilm ist ein einzigartiges Material aus Polyvinylidenfluorid (PVDF). Mit speziellen Fertigungstechniken kann dieser Film piezoelektrisch gemacht werden – eine Eigenschaft, bei der Materialien unter mechanischer Belastung eine elektrische Ladung erzeugen. Der Film ist sehr dünn (28 µm), biegsam und passt sich leicht an, um die Spannungslasten im Sitzkissen zu erkennen, wenn sich jemand hinsetzt.

Bei der Atmung verschiebt sich der Körperschwerpunkt leicht, da sich der Brustkorb mit jedem Atemzug ausdehnt und zusammenzieht. Die Piezo-Elemente im Stuhl erkennen diese dynamischen Änderungen und liefern ein nutzbares Signal an die Elektronik. Für den Herzschlag nutzen die Sensoren die Ballistokardiographie – die Erkennung einer Druckwelle normal zur Haut, die durch arterielles Pulsieren erzeugt wird. Zukünftige Versionen dieser Demo werden Lastzellen an den Stuhlbeinen hinzufügen, damit der Insasse gewogen werden kann. Durch Hinzufügen mehrerer Piezo-Sensoren lässt sich auch die körperliche Größe des Insassen erkennen. Zusammen mit Gewichtsdaten kann ein Body-Mass-Index (BMI) berechnet werden. Dieser Stuhl wird zu einem hervorragenden Werkzeug für Home-Healthcare-Anwendungen, da kein geschultes medizinisches Personal benötigt wird und eine Mini-„Untersuchung“ jederzeit durchgeführt werden kann – einfach hinsetzen und entspannen.

Selbstüberwachung medizinischer Geräte

Therapeutische und chirurgische Medizinprodukte müssen mit sehr hohen Genauigkeitsgraden funktionieren. Um sicherzustellen, dass das Instrument ordnungsgemäß arbeitet, fügen Designer jetzt Sensoren hinzu, die kritische Maschinenfunktionen überwachen. Diese Sensoren können auf zwei Arten arbeiten: Sie können Teil eines Regelkreises sein, der einen Parameter misst und dann Anpassungen an der Ausrüstung vornimmt, um sie innerhalb festgelegter Bereiche zu halten. Der Sensor kann auch als Grenzwertalarm dienen. Wenn ein Parameter außerhalb der Spezifikation liegt oder die Maschine auf irgendeine Weise fehlfunktioniert, warnt der Sensor den Bediener über den Fehlerzustand und kann die Maschine sogar abschalten, um die Patientensicherheit zu schützen.

Die in modernen medizinischen Beatmungsgeräten eingebauten Sensoren sind gute Beispiele für diese Technik. Das Blockdiagramm in Abbildung 5 zeigt die inneren Abläufe eines typischen Geräts. Beachten Sie, dass alle bis auf einen Sensor die Funktionen des Beatmungsgeräts überwachen. Der CO₂-Sensor ist der einzige, der eine Funktion des Patienten überwacht.

Home Healthcare

Es gibt einen Trend in der Medizin, Patienten aus Krankenhäusern in häusliche Pflegeeinstellungen zu verlagern. Patienten fühlen sich zu Hause wohler. Sie erhalten Aufmerksamkeit von vertrauten Betreuern und erholen sich schneller von Krankheiten. Die in häuslichen Pflegegeräten eingebauten Sensoren machen die Maschinen zuverlässig, einfach zu bedienen und eliminieren die Notwendigkeit ständiger Aufmerksamkeit durch medizinisches Personal. Die Ergebnisse sind verbesserte Patientensicherheit und bessere medizinische Ergebnisse.

Die Zukunft

In der gesamten Medizinbranche wird daran gearbeitet, mehr Sensoren in die von Ärzten und ihren Teams verwendeten Maschinen und Verfahren zu integrieren. Die Hinzufügung von Sensoren hilft, die Funktionen und Leistung der Ausrüstung im Auge zu behalten, was es medizinischen Fachkräften ermöglicht, ihren Fokus auf den Patienten zu richten und bessere klinische Ergebnisse zu erzielen. Ob zur Überwachung eines Patienten oder des medizinischen Geräts zur Behandlung von Patienten – der wachsende Einsatz von Sensoren wird der Medizinwelt erhebliche Vorteile bringen.

Dieser Artikel wurde von Pete Smith, Sr. Manager, Sales and Marketing Support, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Schaffhausen, Schweiz/Berwyn, PA) verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Smith unter dieser E-Mail-Adresse (JavaScript erforderlich) oder besuchen Sie hier.