スマートセンサーは医療を改善しています

過去75年間で、センサーは医学の進歩においてますます重要な役割を果たしてきました。

体温、血圧、心拍数、呼吸数など、人々のバイタルサインを監視するための医療用センサーはますます高度になっています。ただし、センサーは医療機器のバイタルサインの測定にも役立ちます。

温度監視

ガラス球体温計は、体温を測定するために何十年も使用されてきました。 1970年代に、それらはデジタルディスプレイを備えた電子バージョンに置き換えられました。これらは低侵襲デバイスであり、患者の体のどこかに挿入する必要がありました。

今日、最も一般的なデバイスは、小さな赤外線カメラのように動作するサーモパイルベースの非接触温度センサーです。それらは皮膚の放射熱エネルギーを測定し、皮膚温度に比例した出力信号を提供します。彼らはほんの数秒で読書をすることができ、非接触であることがバクテリアやウイルスの拡散を防ぐのに役立ちます。

小型のTO-5またはTO-18密閉エンクロージャーにパッケージ化されており、PCボードに簡単に取り付けることができます。サーモパイルは、シリコンチップ上の数十または数百の熱電対要素のミニチュアアレイです。チップは、裏面が金属ヘッダーに取り付けられ、周囲温度に保たれている間、上面の接合部が入ってくるIR放射にさらされるように設計されています。熱電対は直列に接続されているため、出力が追加されます。信号の合計は、数十ミリボルトの振幅で使用可能な出力を提供します。

典型的なサーモパイルの断面図を図2に示します。チップは、赤外線波長のみを透過するウィンドウを通して「見える」ように取り付けられています。これは、可視光からの干渉を排除するのに役立ちます。加熱された（または冷却された）物体からの熱エネルギーが窓に入ると、熱電対アレイに衝突し、その上面の温度が周囲温度から変化します。金属ヘッダーには別の基準温度センサーが取り付けられて周囲温度を測定するため、サーモパイルと基準の間の差信号を使用して、測定対象の実際の温度を計算できます。一部のダウンストリーム信号処理と補正により、±1％〜±2％の範囲の精度を簡単に達成できます。

動脈血圧モニタリング

実用的な血圧カフは1905年に開発され、今日まで使用されています。最新の血圧計は使いやすいですが、広い精度範囲での間接測定しか提供していません。訓練を受けたオペレーターが手動でBPカフを使用すると、98％近くの精度を達成できます。電子およびデジタル血圧装置は通常、70％の精度を達成します。どちらの場合も、平均的な読み取り値しか提供しません。

最近開発された医療処置では、手術部位での直接血圧測定により、外科医にとってより良いデータが提供され、患者にとってより良い結果が得られることが発見されました。 TE Con​​nectivityのセンサービジネスユニットは最近、Intrasenseマイクロ血圧センサーを発表しました。その最も顕著な特徴は、サイズが非常に小さいことです。全体の寸法は、長さ800 µmx幅270µm x高さ70µmです。

Intrasenseは、臨床範囲が-300 mmHg〜 +500mmHgのMEMSベースの絶対圧センサーです。ハーフブリッジ設計では、MEMSダイ上の2つのピエゾ抵抗要素を利用して、圧力が加えられると抵抗値が変化します。信号は、300mmのリード線の近位端にある増幅および補償PCボードに配信されます。

センサーは、非常に細いカテーテルまたはガイドワイヤーの先端に配置し、重要な外科手術中に、心腔、頭蓋間動脈、さらには腎臓など、体内の離れた場所で使用できます。

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心拍数と呼吸数のモニタリング

TE Con​​nectivityは、Stanford Research Institute（SRI）と共同で、座っているだけの人の心拍数と呼吸数の両方を測定できるデモンストレーション用スマートチェアを開発しました。椅子には、シートと背もたれに戦略的に配置されたピエゾポリマーフィルム要素があります。これらの検知要素は、心拍と呼吸の両方を検出します。

ピエゾポリマーフィルムは、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）から作られたユニークな素材です。特殊な製造技術を使用して、このフィルムを圧電性にすることができます。これは、材料が機械的応力にさらされたときに電荷を生成する特性です。フィルムは非常に薄く（28μm）、しなやかで、誰かが座ったときにシートクッション内の応力負荷に簡単に適合して検出します。

呼吸中、胸郭が呼吸のたびに伸縮するため、体の重心がわずかに移動します。椅子のピエゾ素子はこれらの動的な変化を検出し、電子機器に使用可能な信号を提供します。心拍には、センサーは、動脈の脈動によって生成される皮膚に垂直な圧力波の検出である心弾動記録法を利用します。このデモの将来のバージョンでは、椅子の足にロードセルが追加されるため、乗員の体重を測定できます。さらにいくつかのピエゾセンサーを追加すると、乗員の物理的なサイズを検出するのにも役立ちます。体重データとともに、ボディマス指数（BMI）を計算できます。この椅子は、訓練を受けた医療専門家が必要ないため、在宅医療アプリケーションに最適なツールになります。また、ミニ「チェック」をいつでも実行できます。静かに座ってリラックスするだけです。

医療機器の自己監視

治療用および外科用医療機器は、非常に高いレベルの精度で機能する必要があります。機器が適切に動作していることを確認するために、設計者は現在、重要な機械機能を追跡するセンサーを追加しています。これらのセンサーは、2つの方法のいずれかで動作できます。これらは、パラメータを測定し、指定された範囲内で動作し続けるように機器を調整するフィードバックおよび制御ループの一部にすることができます。センサーは限界警報としても使用できます。パラメータが仕様から外れたり、マシンが何らかの形で誤動作したりすると、センサーはオペレーターに障害状態を警告し、患者の安全を保護するためにマシンをシャットダウンすることもできます。

最新の医療用人工呼吸器に組み込まれているセンサーは、この技術の良い例です。図5のブロック図は、一般的なマシンの内部動作を示しています。 1つを除くすべてのセンサーが人工呼吸器の機能を監視していることに注意してください。 CO ₂ センサーは、患者の機能を監視する唯一のセンサーです。

在宅医療

医学では、患者を病院から在宅医療環境に移す傾向があります。患者は自宅でより快適です。彼らは慣れ親しんだ介護者から注目を集め、病気からより早く回復します。在宅医療機器に組み込まれたセンサーにより、機械の信頼性が高く、操作が簡単になり、医療専門家による絶え間ない注意の必要がなくなります。その結果、患者の安全性が向上し、医療成果が向上します。

未来

医師とそのチームが使用する機械と手順により多くのセンサーを組み込むために、医療業界全体で作業が進行中です。センサーの追加は、機器の機能と性能を監視するのに役立ちます。これにより、医療専門家は患者に目を向け、より良い臨床結果を生み出すことができます。患者の監視に使用されている場合でも、患者の治療に使用されている医療機器の監視に使用されている場合でも、センサーの使用が増えると、医療の世界に大きなメリットがもたらされます。

この記事は、TE Con​​nectivity Sensor Solutions — TES（Schaffhausen、Switzerland / Berwyn、PA）のセールスおよびマーケティングサポートのシニアマネージャーであるPeteSmithによって書かれました。詳細については、スミス氏にお問い合わせください。このメールアドレスはスパムボットから保護されています。表示するにはJavaScriptを有効にする必要があります。または、こちらにアクセスしてください 。