Datorită progreselor în domeniul bateriilor care pot alimenta tehnologia pentru mai mult timp, împreună cu dispozitivele de măsurare din siliciu foarte integrate, pacienții pot colecta și transmite semnele lor vitale fără a părăsi casa sau fără a primi vizita unui asistent medical. Apariția Covid-19 în 2020 și restricțiile rezultate care au limitat interacțiunea față în față cu furnizorii de servicii medicale au contribuit, de asemenea, la evidențierea cererii de soluții medicale mai inteligente, conectate și portabile.
Senzorii și dispozitivele terapeutice portabile au potențialul de a permite pacienților să părăsească spitalul mai devreme după o intervenție chirurgicală, eliberând paturi și reducând costurile, permițând în același timp chirurgilor și echipelor lor să continue furnizarea de îngrijiri postoperatorii de înaltă calitate. Un beneficiu suplimentar este colectarea periodică a datelor, în timp ce pacientul își desfășoară rutina zilnică normală, ceea ce poate oferi informații care, altfel, nu ar fi ieșit la iveală. Conform datelor publicate de BioSpace, se așteaptă ca utilizarea produselor medicale electronice în spitale să crească cu 13% până în 2025, iar piața globală pentru astfel de dispozitive va ajunge la 169 de miliarde USD.[1]
Măsurarea continuă a semnelor vitale
Figura 1: MAXM86161 permite măsurarea neinvazivă a ritmului cardiac și a pulsoximetriei. (© Mouser)
Explozia aparatelor purtabile destinate consumatorilor a avut un impact real asupra vieții multor oameni. În timp ce unii au pus la îndoială acuratețea senzorilor purtați la încheietura mâinii pentru măsurarea ritmului cardiac și a altor parametri, multe vieți au fost salvate datorită existenței lor. Deși poate că nu sunt la fel de precise precum echipamentele medicale profesionale din dotarea spitalului, monitorizarea lor continuă s-a dovedit a fi neprețuită în mai multe ocazii. Un utilizator a evitat complicații care îi puneau viața în pericol datorită detectării unui ritm cardiac ridicat care, altfel, ar fi trecut neobservat zile întregi[2].
Tehnologia de măsurare miniaturizată, cum ar fi bio-senzorul optic[3] MAXM86161 de la Maxim Integrated (acum Analog Devices), face parte dintr-o gamă de dispozitive care permit astfel de aplicații. Destinat aplicațiilor de măsurare în ureche, acesta este optimizat pentru a detecta ritmul cardiac (HR), saturația oxigenului (SpO2) și variabilitatea ritmului cardiac (HRV), unde sunt analizate variațiile de la bătaie la bătaie. Integrându-se cu microcontrolere (MCU) prin intermediul unei interfețe I2C, dispozitivul poate executa 25 de măsurători pe secundă, consumând un curent mai mic de 10µA.
Capsula OLGA (Organic Land Grid Array) cu 14-pini, care măsoară doar 2,9 × 4,3 × 1,4 mm, găzduiește atât receptorul senzorului, cât și LED-urile de culoare verde, roșie și LED-ul IR necesare. Subsistemul optic este construit dintr-un convertor analog-digital (ADC) de curent, pe 19-biți, susținut de un sistem avansat de anulare a luminii ambientale (ALC – ambient light cancellation) și de un filtru proprietar în domeniul timp. Ca urmare, soluția de măsurare poate funcționa cu precizie la 50 Hz și 60 Hz în condiții de lumină ambientală ridicată. Driverele de LED-uri de precizie, cu control pe 8-biți al gamei dinamice a acestora sunt, de asemenea, incluse, împreună cu regiștrii pentru programarea tiparelor de puls. Un buffer FIFO de 128 de eșantioane asigură faptul că microcontrolerul gazdă poate rămâne în modul de consum redus de putere cât mai mult timp posibil înainte de a fi necesar să colecteze un nou lot de eșantioane de măsurare. De asemenea, este disponibilă o platformă de prototipare cuprinzătoare.[4]
Adăugarea unei electrocardiograme
Figura 2: Ams AS7030B măsoară ritmul cardiac utilizând PPG și ECG și permite măsurarea rezistivității pielii și a temperaturii prin intermediul unor senzori externi. (© Mouser)
În timp ce ritmul cardiac poate fi măsurat optic, folosind fotopletismografia (PPG), după cum am văzut, informații suplimentare despre sănătatea inimii necesită o electrocardiogramă (ECG). Willem Einthoven a fost cel care, la începutul secolului XX, a inventat primul electrocardiograf practic. Având peste 250 kg și necesitând cinci operatori, acesta nu putea fi considerat portabil. Totuși, citirile sale l-au ajutat pe Einthoven să rafineze forma undei ECG pe care o cunoaștem astăzi, cu unda P, complexul QRS și unda T, ușor de recunoscut. În timp ce profesioniștii din domeniul medical folosesc de regulă un monitor ECG în 12 derivații, s-a demonstrat că monitoarele ieftine în 3 derivații oferă măsurători de o calitate tehnică satisfăcătoare[5].
Dispozitivele de măsurare, cum ar fi senzorul de semne vitale AS7030B de la ams[6] fac posibilă monitorizarea continuă a pacienților cu afecțiuni cardiace, la costuri reduse. Senzorul integrează un PPG și un ECG, susținând în același timp măsurătorile de temperatură a pielii (NTC) și de rezistență (rezistivitatea galvanică a pielii) prin intermediul unor senzori externi. Gama sa de tensiune de alimentare de la 2,7V la 5,5V permite operarea acestuia cu ajutorul unei baterii reîncărcabile pentru utilizare portabilă, în timp ce capsula mică de 6,4 × 3,5 × 1 mm asigură integrarea în carcase mici. Conectat la un microcontroler gazdă prin I2C, AS7030B integrează un LDO, un front-end optic și electric și un amplificator ECG conform IEC 60601-2-47. Măsurătorile PPG sunt susținute de LED-uri integrate, în timp ce procesarea integrată a semnalului degrevează de sarcini procesorul gazdă și reduce efectul surselor puternice de lumină ambientală.
Semnalele ECG sunt foarte slabe, variind de la 0,5 mV la 5,0 mV. Astfel, se recomandă să păstrați cablurile cât mai scurte posibil sau să utilizați cabluri ecranate. De asemenea, trebuie să aveți grijă la conectivitatea USB sau la soluțiile de încărcare care leagă senzorul de rețea, utilizând un izolator aprobat medical (> 3kV) sau o sursă de alimentare certificată IEC 60601. Este disponibil și un kit de evaluare cu software[7].
În laborator
Figura 3: Cu ajutorul senzorului de debit pentru lichide SLF3S-0600F de la Sensirion se poate măsura un debit de 0,5 μl/min pentru apă și 5 μl/min pentru IPA. (© Mouser)
Odată stabilit un diagnostic preliminar, medicii apelează la farmacologi pentru a analiza probele sau pentru a crea medicamente adecvate. Reactivii sunt utilizați în descoperirea medicamentelor și în testele genomice, dar trebuie să fie distribuiți cu grijă. Distribuitoarele de reactivi pot furniza cantități de lichid mai mici de un mililitru, dar, pentru a face acest lucru, au nevoie de senzori de măsurare precisă. Sensirion oferă o gamă largă de soluții de măsurare care se bazează pe sistemul lor de microsenzori inteligenți CMOSense®, care se află acum la a patra generație. Senzorul de debit de lichid SLF3S-0600F este un astfel de dispozitiv, care oferă măsurători de până la ±2000 ml/min și o precizie de 0,5 µl/min pentru apă (H2O) și de 5µl/min pentru alcool izopropilic (IPA).
Elementul de detecție utilizează un microelement de încălzire împreună cu un senzor de temperatură în amonte și în aval. Pe măsură ce lichidul curge, rezultă o diferență de temperatură care este compensată, amplificată și procesată digital. Se pot obține timpi rapizi de reacție, de ordinul milisecundelor, datele fiind transmise către un microcontroler gazdă prin I2C. Pentru fixarea la carcasa senzorului sunt necesare conducte cu un diametru exterior de 1/16″ până la 1/8″ precum și o piuliță și o ferulă corespunzătoare.
Condiții de mediu pentru măsurare
Dezvoltarea de echipamente medicale sau activitatea într-un laborator, cameră sterilă sau spital necesită, adesea, monitorizarea mediului. Echipamentul pentru înregistrarea datelor poate fi utilizat în timpul testării hardware-ului sau pentru a dovedi că sunt respectate condițiile operaționale sau de depozitare prevăzute de lege. Extech RH520B[8] asigură detectarea umidității și a temperaturii, stocând măsurătorile într-un înregistrator grafic digital. Proiectat să nu folosească hârtie, memoria internă poate stoca până la 49.000 de puncte de date, iar software-ul gratuit este disponibil pentru a încărca măsurătorile pe un PC pentru analize ulterioare.
Figura 4: Dispunând de spațiu de stocare pentru 49.000 de puncte de date, înregistratorul grafic Extech RH520B monitorizează temperatura și umiditatea. (© Mouser)
Senzorul poate fi montat pe carcasa display-ului sau, datorită cablului său de 1 m, poate fi detașat și plasat într-un mediu închis. Ecranul LCD de mari dimensiuni oferă o rezoluție ajustabilă pe verticală/orizontală, afișând temperatura și umiditatea relativă (RH). Sunt acceptate rate de eșantionare de la 6 secunde până la 199,9 minute, în timp ce alarmele de temperatură și RH (vizuale și sonore) pot fi configurate, dacă este necesar. De asemenea, poate fi afișat și punctul de rouă. Alimentarea cu energie se face de la un adaptor AC inclus împreună cu înregistratorul grafic sau, dacă se preferă, cele trei baterii AA oferă o funcționare de până la patru săptămâni. De asemenea, este prevăzută posibilitatea de montare pe birou sau pe perete.
Soluțiile de termoterapie pot oferi vasodilatație și vasoconstricție cutanată prin încălzire și răcire țintită, o abordare care poate ajuta la ameliorarea durerii, a fluxului sanguin și a inflamației în articulații și leziuni ale țesuturilor moi. Unele abordări folosesc, de asemenea, lichidul pentru a furniza o aplicare uniformă a termoterapiei.
Instrumentele de măsurare, cum ar fi Teledyne FLIR MR265 (Umidometru și cameră cu termoviziune)[9] pot oferi informații despre eficacitatea și uniformitatea panourilor de răcire/încălzire în timpul procesului de dezvoltare și, de asemenea, pot ajuta la determinarea zonei în care se află eventualele scurgeri.
Figura 5: Cu capabilități de imagistică termică și de umiditate, Teledyne FLIR MR265 este un instrument de testare ideal pentru dezvoltatorii de dispozitive de termoterapie. (© Mouser)
MR265 dispune de capabilitatea de îmbunătățire a clarităţii imaginii termice, sau MSX®, care mărește cei 19.200 de pixeli ai imagisticii termice cu date de la camera standard integrată de 2 megapixeli. Utilizatorii beneficiază de o mai mare claritate a imaginilor produse pe display-ul color de 2,8″, ceea ce facilitează o analiză ulterioară a problemelor în laborator. Un LED integrat asigură o vizibilitate îmbunătățită în mediile slab iluminate, în timp ce laserul integrat cuplat cu măsurarea ghidată în infraroșu, sau IGM®, garantează că utilizatorii știu clar care este zona cercetată. Un senzor de umiditate nedistructiv este integrat în partea din spate a dispozitivului, în timp ce senzori suplimentari prin cablu pot fi conectați la un port dedicat din partea de jos a unității.
Către noi analize și tratamente medicale
Deși echipamentele medicale au fost, prin tradiție, voluminoase, complicate și costisitoare, inovațiile în tehnologia siliciului permit crearea unor monitoare portabile și a unor soluții terapeutice simple, ușoare și alimentate de la baterii. Deși nu au, întotdeauna, acuratețea echipamentelor profesionale, acestea permit monitorizarea continuă și furnizarea de terapii care pot oferi mai multe informații și beneficii decât o vizită medicală zilnică sau săptămânală. Datorită senzorilor de debit de ultimă generație, de mare precizie, farmaciștii sunt susținuți în eforturile lor de a dezvolta noi medicamente și metode de testare. Și, pe măsură ce echipele de ingineri medicali își mută proiectele de ultimă generație în faza de testare, înregistratoarele și camerele de termoviziune oferă reacția și monitorizarea necesare pentru îmbunătățirea și optimizarea produselor lor. Fără îndoială, domeniul electronicii medicale are potențialul de a oferi în următorul deceniu câteva inovații incredibile care vor aduce îmbunătățiri semnificative calității vieții noastre.
Autor:
Stuart Cording
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
[1] https://www.biospace.com/article/medical-electronics-market-3-pivotal-trends-stimulating-the-industry-growth-curve/
[2] https://www.cnet.com/tech/mobile/apple-watch-lifesaving-health-features-read-5-peoples-stories/
[3] https://eu.mouser.com/new/sensors/biometric-sensors/maxim-maxm86161-optical-bio-sensor
[4] https://eu.mouser.com/new/maxim-integrated/maxim-maxm86161evsys-eval-system/
[5] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5036021/
[6] https://eu.mouser.com/new/sensors/biometric-sensors/ams-as7030b-vital-sign-sensors
[7] https://eu.mouser.com/new/ams/ams-as7030b-evalkit-eval-kit/
[8] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/extech-rh520b-chart-recorder
[9] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/flir-mr265-moisture-meter-thermal-imager