スマートセンサーが現代医療を変革

過去75年間、センサーは医療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医療用センサーはますます高度化しています。しかし、センサーは医療機器自体のバイタルサインを測定するのにも役立ちます。

温度監視

ガラス球温度計は数十年にわたり体温測定に使用されてきました。1970年代には、デジタル表示付きの電子版に置き換わりました。これらは最小限の侵襲的なデバイスで、患者の体内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サーモパイルベースの非接触温度センサーで、小さな赤外線カメラのように動作します。これらは皮膚から放射される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。わずか数秒で測定でき、非接触であるため細菌やウイルスの拡散防止に役立ちます。

小型のTO-5またはTO-18気密封止パッケージに収められており、プリント基板への実装が容易です。サーモパイルは、シリコンチップ上に数十個から数百個の熱電対素子を微小アレイ状に配置したものです。チップは、上面の接合部が入射する赤外線放射に露出し、背面が金属ヘッダーに取り付けられて環境温度を維持するように設計されています。熱電対は直列に接続されており、それらの出力が加算されます。信号の合計は、数十ミリボルトの振幅を持つ使用可能な出力を提供します。

図2に典型的なサーモパイルの断面図を示します。チップは、赤外線波長のみに透過する窓を通して「見る」ように取り付けられています。これにより、可視光線からの干渉を排除します。加熱（または冷却）された物体からの熱エネルギーが窓に入射すると、熱電対アレイに当たり、その上面温度を環境温度から変化させます。別の基準温度センサーが金属ヘッダーに取り付けられて環境温度を測定し、サーモパイルと基準の差動信号を用いて測定対象物体の実際の温度を計算できます。ダウンストリームの信号処理と補償により、±1%～±2%の精度が容易に達成できます。

動脈血圧監視

実用的な血圧カフは1905年に開発され、今日でも使用されています。最新の血圧計は使いやすいですが、広い精度範囲を持つ間接測定しか提供しません。訓練を受けたオペレーターが手動血圧カフを使用すれば、ほぼ98%の精度が達成できます。電子式およびデジタル血圧デバイスは通常70%の精度です。どちらの場合も平均値のみを提供します。

最近開発された医療処置では、手術部位での直接的な血圧測定が、執刀医により良いデータを提供し、患者の転帰を改善することが分かっています。TE Connectivityのセンサー事業部は、Intrasenseマイクロ血圧センサーを最近発表しました。その最も際立った特徴は極めて小さいサイズで、全体寸法は800µm L × 270µm W × 70µm Hです。

Intrasenseは、臨床範囲-300mmHg～+500mmHgのMEMSベース絶対圧力センサーです。ハーフブリッジ設計では、MEMSダイ上の二つの圧電抵抗素子が圧力印加時に抵抗値を変化させます。信号は、300mmワイヤリードの近位端にある増幅・補償用プリント基板に伝送されます。

このセンサーは極細カテーテルやガイドワイヤの先端に配置でき、心室、頭蓋内動脈、さらには腎臓内部など、重要な手術中の体内遠隔部位で使用可能です。

心拍数と呼吸数の監視

スタンフォード研究所（SRI）との共同で、TE Connectivityは、単に座っているだけで心拍数と呼吸数を測定できるデモ用スマートチェアを開発しました。このチェアには、シートと背もたれに戦略的に圧電ポリマーフィルム素子が配置されています。これらの検知素子は心拍と呼吸の両方を検知します。

圧電ポリマーフィルムは、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）から作られる独自の材料です。特殊な製造技術により、このフィルムを圧電性（機械的ストレスを受けると電荷を生成する特性）を持たせることができます。フィルムは非常に薄く（28µm）、柔軟で、誰かが座るとシートクッション内の応力負荷に容易に追従して検知します。

呼吸時には、肋骨が呼吸ごとに膨張・収縮するため、体の重心がわずかに動きます。チェア内の圧電素子はこれらの動的変化を検知し、使用可能な信号を電子回路に提供します。心拍については、センサーが球拍図法を利用します。これは、動脈の脈動によって皮膚に垂直な方向に生じる圧力波を検知する手法です。このデモの将来バージョンでは、チェアの脚にロードセルを追加して体重測定を行い、さらに複数の圧電センサーを追加して占有者の体格を検知します。体重データと合わせて体格指数（BMI）を算出できます。このチェアは、訓練を受けた医療専門家を必要とせず、いつでも静かに座るだけでミニ「検診」ができるため、在宅医療用途に最適なツールとなります。

医療機器の自己監視

治療用および手術用医療機器は、非常に高い精度で動作する必要があります。機器が正常に動作していることを確認するため、設計者は重要な機械機能を追跡するセンサーを追加するようになっています。これらのセンサーは二通りの方法で動作します。フィードバック制御ループの一部としてパラメータを測定し、機器を指定範囲内で動作させるよう調整する方法。あるいはリミットアラームとして、パラメータが仕様外になったり機器が何らかの形で故障したりした際に、オペレーターに故障状態を警告し、患者の安全を守るために機器を停止させることさえできます。

最新の医療用人工呼吸器に組み込まれたセンサーは、この手法の好例です。図5のブロック図は、典型的な機器の内部動作を示しています。CO₂センサー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目してください。CO₂センサーのみが患者の機能を監視しています。

在宅医療

患者を病院から在宅医療環境へ移行させる傾向があります。患者は自宅でより快適に過ごせ、馴染みの介護者からケアを受け、病気からより速く回復します。在宅医療機器に組み込まれたセンサーは、機器を信頼性が高く、操作が簡単で、医療専門家の常時監視が不要にします。その結果、患者の安全性が向上し、より良い医療成果が得られます。

将来展望

医療業界全体で、医師とそのチームが使用する機器と処置により多くのセンサーを組み込む取り組みが進行中です。センサーの追加により、機器の機能と性能を監視できるようになり、医療専門家が患者に目を向け、より良い臨床結果を生み出せるようになります。患者の監視であれ、患者を治療する医療機器の監視であれ、センサーの用途拡大は医療の世界に大きな利益をもたらすでしょう。

本記事は、TE Connectivityセンサーソリューションのセールス&マーケティングサポート上級マネージャー、Pete Smith氏によって執筆されました（スイス・シャフハウゼン／米国ペンシルベニア州バーウィン）。詳細については、同氏までお問い合わせください。