Intelligente Sensoren verbessern die medizinische Versorgung

In den letzten 75 Jahren haben Sensoren eine immer wichtigere Rolle beim Fortschritt der Medizin gespielt.

Medizinische Sensoren zur Überwachung der Vitalfunktionen von Menschen, einschließlich Temperatur, Blutdruck, Herzfrequenz und Atemfrequenz, werden immer ausgefeilter. Sensoren sind aber auch nützlich, um die Vitalwerte medizinischer Geräte zu messen.

Temperaturüberwachung

Glaskolbenthermometer werden seit Jahrzehnten verwendet, um die Körpertemperatur zu messen. In den 1970er Jahren wurden sie durch elektronische Versionen mit Digitalanzeige ersetzt. Dies waren minimalinvasive Geräte und mussten irgendwo in den Körper des Patienten eingeführt werden.

Die heute am häufigsten verwendeten Geräte sind berührungslose Temperatursensoren auf Thermosäulenbasis, die wie eine winzige Infrarotkamera funktionieren. Sie messen die von der Haut abgestrahlte Wärmeenergie und liefern ein der Hauttemperatur proportionales Ausgangssignal. Sie können in nur wenigen Sekunden eine Messung vornehmen, und da sie berührungslos sind, kann dies dazu beitragen, die Ausbreitung von Bakterien und Viren zu verhindern.

Verpackt in einem kleinen, hermetisch abgedichteten TO-5- oder TO-18-Gehäuse können sie einfach auf einer PC-Platine montiert werden. Die Thermosäule ist eine Miniaturanordnung von Dutzenden oder Hunderten von Thermoelementelementen auf einem Siliziumchip. Der Chip ist so konzipiert, dass die Übergänge auf seiner Oberseite der einfallenden IR-Strahlung ausgesetzt sind, während die Rückseite an einem Metallsockel befestigt ist und auf Umgebungstemperatur bleibt. Die Thermoelemente sind in Reihe geschaltet, so dass sich ihre Ausgänge addieren. Die Summe der Signale liefert einen brauchbaren Ausgang mit einer Amplitude im zweistelligen Millivoltbereich.

Eine Schnittansicht einer typischen Thermosäule ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Chip ist so montiert, dass er durch ein Fenster „schaut“, das nur für infrarote Wellenlängen durchlässig ist. Dies hilft, Interferenzen durch sichtbares Licht zu eliminieren. Wenn Wärmeenergie von einem erhitzten (oder gekühlten) Objekt in das Fenster eintritt, trifft sie auf die Thermoelementanordnung und ändert ihre Oberflächentemperatur gegenüber der Umgebung. Ein separater Referenztemperatursensor ist am Metallkopf angebracht, um die Umgebung zu messen, sodass das Differenzsignal zwischen der Thermosäule und der Referenz verwendet werden kann, um die tatsächliche Temperatur des zu messenden Objekts zu berechnen. Mit etwas nachgeschalteter Signalverarbeitung und -kompensation sind Genauigkeiten im Bereich von ±1 % – ±2 % leicht erreichbar.

Arterielle Blutdrucküberwachung

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

Bei kürzlich entwickelten medizinischen Verfahren wurde entdeckt, dass eine direkte Blutdruckmessung am Ort einer Operation dem Chirurgen bessere Daten und bessere Ergebnisse für den Patienten liefert. Der Geschäftsbereich Sensors von TE Connectivity hat kürzlich seinen Mikro-Blutdrucksensor Intrasense vorgestellt. Sein auffälligstes Merkmal ist die extrem kleine Größe – die Gesamtabmessungen betragen 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 Halbbrückendesign verwendet zwei piezoresistive Elemente auf dem MEMS-Die, die ihre Widerstandswerte ändern, wenn Druck ausgeübt wird. Das Signal wird an eine Verstärkungs- und Kompensationsplatine am proximalen Ende der 300-mm-Drahtleitungen geliefert.

Der Sensor kann an der Spitze eines sehr feinen Katheters oder Führungsdrahts platziert und dann bei kritischen chirurgischen Eingriffen an entfernten Stellen im Körper, wie Herzkammern, Zwischenhirnarterien oder sogar in den Nieren, verwendet werden.

Herzfrequenz- und Atemfrequenzüberwachung

In Zusammenarbeit mit dem Stanford Research Institute (SRI) hat TE Connectivity einen intelligenten Demonstrationsstuhl entwickelt, der sowohl die Herzfrequenz als auch die Atemfrequenz einer Person messen kann, die einfach still darin sitzt. Der Stuhl verfügt über Piezo-Polymerfolienelemente, die strategisch in Sitzfläche und Rückenlehne platziert sind. Diese Sensorelemente erkennen sowohl den Herzschlag als auch die Atmung.

Piezo-Polymerfolie ist ein einzigartiges Material aus Polyvinylidenfluorid (PVDF). Durch spezielle Fertigungstechniken kann diese Folie piezoelektrisch gemacht werden, eine Eigenschaft, bei der Materialien bei mechanischer Belastung eine elektrische Ladung erzeugen. Die Folie ist sehr dünn (28 μm), biegsam und passt sich leicht an die Belastungen im Inneren des Sitzkissens an und erkennt diese, wenn sich jemand hinsetzt.

Während der Atmung bewegt sich der Körperschwerpunkt leicht, da sich der Brustkorb mit jedem Atemzug ausdehnt und zusammenzieht. Die Piezoelemente im Stuhl erkennen diese dynamischen Veränderungen und liefern ein verwertbares Signal an die Elektronik. Für den Herzschlag verwenden die Sensoren die Ballistokardiographie, die die Erkennung einer Druckwelle normal zur Haut ist, die durch arterielles Pulsieren erzeugt wird. Zukünftige Versionen dieser Demo werden Wägezellen an den Füßen des Stuhls hinzufügen, damit der Insasse gewogen werden kann. Das Hinzufügen mehrerer weiterer Piezosensoren hilft auch dabei, die physische Größe des Insassen zu erkennen. Zusammen mit Gewichtsdaten kann ein Body-Mass-Index (BMI) berechnet werden. Dieser Stuhl ist ein hervorragendes Hilfsmittel für die häusliche Krankenpflege, da kein ausgebildeter Arzt benötigt wird und jederzeit eine kleine „Untersuchung“ durchgeführt werden kann – setzen Sie sich einfach ruhig hin und entspannen Sie sich.

Selbstüberwachung medizinischer Geräte

Therapeutische und chirurgische medizinische Geräte müssen mit sehr hoher Genauigkeit arbeiten. Um sicherzustellen, dass das Instrument ordnungsgemäß funktioniert, fügen Konstrukteure jetzt Sensoren hinzu, die kritische Maschinenfunktionen verfolgen. Diese Sensoren können auf zwei Arten arbeiten. Sie können Teil einer Rückkopplungs- und Regelschleife sein, die einen Parameter misst und dann Anpassungen an der Ausrüstung vornimmt, um sie innerhalb bestimmter Bereiche zu halten. Der Sensor kann auch als Grenzwertmelder verwendet werden. Wenn ein Parameter außerhalb der Spezifikation liegt oder das Gerät in irgendeiner Weise fehlerhaft funktioniert, warnt der Sensor den Bediener über den Fehlerzustand und kann sogar das Gerät abschalten, um die Patientensicherheit zu gewährleisten.

Die in modernen medizinischen Beatmungsgeräten eingebauten Sensoren sind gute Beispiele für diese Technik. Das Blockdiagramm in Abbildung 5 zeigt das Innenleben einer typischen Maschine. Beachten Sie, dass alle Sensoren bis auf einen die Funktionen des Beatmungsgeräts überwachen. Das CO ₂ Sensor ist der einzige, der eine Funktion des Patienten überwacht.

Heimpflege

In der Medizin gibt es einen Trend, Patienten aus Krankenhäusern in häusliche Pflegeeinrichtungen zu verlegen. Die Patienten fühlen sich zu Hause wohler. Sie erhalten Aufmerksamkeit von vertrauten Bezugspersonen und erholen sich schneller von Beschwerden. Die in Heimpflegegeräte eingebauten Sensoren machen die Geräte zuverlässig, einfach zu bedienen und machen die ständige Aufmerksamkeit medizinischer Fachkräfte überflüssig. Die Ergebnisse sind eine verbesserte Patientensicherheit und bessere medizinische Ergebnisse.

Die Zukunft

In der gesamten Medizinbranche wird daran gearbeitet, mehr Sensoren in die Maschinen und Verfahren zu integrieren, die von Ärzten und ihren Teams verwendet werden. Das Hinzufügen von Sensoren hilft dabei, die Funktionen und Leistung der Geräte im Auge zu behalten, was es dem medizinischen Fachpersonal ermöglicht, den Blick auf den Patienten zu richten und bessere klinische Ergebnisse zu erzielen. Unabhängig davon, ob sie zur Überwachung eines Patienten oder zur Überwachung des medizinischen Geräts zur Behandlung von Patienten verwendet werden, der zunehmende Einsatz von Sensoren wird der Welt der Medizin erhebliche Vorteile bringen.

Dieser Artikel wurde von Pete Smith, Senior Manager, Sales and Marketing Support, TE Connectivity Sensor Solutions – TES (Schaffhausen, Schweiz/Berwyn, PA) verfasst. Wenden Sie sich für weitere Informationen an Mr. Smith unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann. oder besuchen Sie hier .