La tecnologia dei sensori nel settore medico è il cuore della sanità moderna

Oggi, quando i pazienti entrano in ospedale, devono affrontare non solo dottori e infermieri, ma anche una serie di strumenti medici analitici e diagnostici sofisticati. Numerosi dispositivi vengono utilizzati per monitorare i loro parametri vitali, quali la temperatura del corpo, il battito cardiaco, la pressione sanguigna, il livello di ossigeno nel sangue ecc. L’interfaccia tra i pazienti e questi strumenti medici è rappresentata da una serie di sensori medici altamente affidabili.

La società di ricerche di mercato MarketsandMarkets prevede che il mercato dei sensori medici registrerà un tasso di crescita annuo cumulato (Compound Annual Growth Rate, CAGR) dell’8,5% tra quest’anno e il 2022, raggiungendo così 15 miliardi di dollari. Ci sono diverse tendenze e tecnologie concomitanti che alimentano questa crescita, quali le maggiori pressioni sui fornitori di prestazioni sanitarie per contenere i costi, l’invecchiamento demografico, le più recenti aspettative da parte dei consumatori in merito all’assistenza sanitaria da remoto.

Più vicini ai pazienti, i continui progressi nel campo dei MEMS, della nanotecnologia, dei sensori a bassissima potenza, dell’alimentazione wireless e dei nuovi protocolli di comunicazione stanno avendo un impatto significativo dal punto di vista dei sensori. Inoltre i progettisti di dispositivi medici stanno rivolgendo particolare attenzione agli attuali sviluppi nella fusione dei sensori e nei sensori multifunzionali, che in futuro probabilmente consentiranno un più vasto campo di applicazione.

Catturare segnali vitali

I sensori monofunzione, come quelli per la pressione, la temperatura e il flusso d’aria, vengono impiegati in una vasta gamma di apparecchi medici: dai semplici dispositivi per la termometria ai monitor per la pressione sanguigna, dalle pompe di infusione alle apparecchiature complesse per la diagnostica utilizzate per la risonanza magnetica (MRI), dagli ultrasuoni, ai raggi X fino ad arrivare alle macchine per la ventilazione meccanica a pressione positiva continua (CPAP).

Il sensore di flusso MEMS ad alta precisione D6F-01A1-110 di Omron viene impiegato nelle macchine per la respirazione e ventilazione e nei concentratori di ossigeno. Il dispositivo consente la misurazione del flusso d’aria in un intervallo compreso tra 0 e 1 litro/min con un’accuratezza del ±3% fondo scala. Allo stesso modo, il sensore del flusso d’aria ad alta precisione HAFBLF0400C4AX3 di Honeywell consente di misurare il flusso in un intervallo di 400 SCCM e vanta una precisione del 2,5%. Interamente calibrati e compensati a livello di temperatura grazie a un ASIC integrato, questi sensori vengono utilizzati nella somministrazione dell’anestesia, nel trattamento dell’apnea del sonno così come nei nebulizzatori.

Figura 1: il sensore per il flusso d’aria HAFBLF0400C4AX3 di Honeywell.

 

Tra i principali sensori di pressione medici, il P162 di Amphenol è un dispositivo piezoresistivo montato su scheda con la capacità di misurare pressioni fino a 300 mmHg di portata. Disponibile nel formato da 1150 μm x 725 μm, questo sensore compatto è fondamentale in applicazioni come quelle per il rilevamento della pressione intrauterina (IUP).

Come i sensori per la pressione e il flusso d’aria, i sensori di temperatura rappresentano un componente fondamentale in una vasta gamma di dispositivi medici. Ad esempio, il sensore di temperatura 700-DS600U di Maxim ha un intervallo di funzionamento che va da -40 °C a +125 °C e una precisione di ±0,5 °C. È integrato nelle pompe di infusione per somministrare fluidi, farmaci o sostanze nutritive ai pazienti ma anche in diversi strumenti portatili. Il portfolio di Maxim include anche il MAX30205MTA+. Questo sensore montato su scheda vanta una precisione di ±0,1 °C in un intervallo di temperatura di funzionamento compreso tra 0 °C e 50 °C. Converte la misurazione analogica della temperatura in un formato digitale, utilizzando un convertitore da analogico a digitale Sigma-Delta (ADC) ad alta risoluzione e rispetta la specifica per la termometria clinica ASTM E1112 quando viene saldato sul PCB finale. Il sensore è adatto alla misurazione della temperatura del corpo umano in un contesto medico, così come ai fitness tracker. Per il monitoraggio continuo del paziente nelle incubatrici dei bambini prematuri, Amphenol offre il MA300TA103C. Si tratta di un termistore NTC biomedico da 9,52 mm con un intervallo di funzionamento da 0 °C a 50 °C.

Misurare la febbre senza contatto è un’applicazione comune dei sensori di temperatura come il MLX90614ESF-BAA-000-TU di Melexis. Si tratta di un dispositivo per la temperatura montato su scheda e a infrarossi (IR) costituito da due chip: una termopila sensibile agli infrarossi e un ASIC per il condizionamento del segnale. Questo sensore a più chip consente di misurare la temperatura in un intervallo compreso tra -40 °C e 85 °C con una precisione di ±0,5 °C.

 

Figura 2: il sensore di temperatura MLX90614ESF-BAA-000-TU di Melexis.

 

Fusione di sensori e sensori multifunzione

Sebbene l’utilizzo di sensori con diverse funzionalità all’interno di dispositivi medici complessi sia ormai una prassi comune, appare sempre più frequente il ricorso a più sensori per ottenere risultati migliori. Proprio come il cervello umano combina diversi stimoli sensoriali (odore, gusto, tatto, vista, suono) per garantire un’esperienza completa, anche la tecnologia è in grado di combinare diversi input di dati provenienti da diversi sensori per garantirne la fusione.

Solitamente la fusione dei sensori include tre stadi progressivi: acquisizione dei dati, fusione delle caratteristiche e, come ultima cosa, unione dei risultati. Nella prima fase, diversi sensori raccolgono diversi tipi di segnali, come le quantità fisiche, chimiche o biologiche oppure le immagini. Nella fase successiva, i segnali raccolti vengono sottoposti a un’elaborazione per estrarre le informazioni rilevanti ed eliminare eventuali elementi di disturbo. Infine, nella terza fase, viene eseguita la fusione dei dati mediante una serie di algoritmi decisionali.

Un tipico esempio di implementazione della fusione di sensori in azione è rappresentato dai sistemi 9-SFA a 9 assi attualmente utilizzati. Combinano un accelerometro 3D, un giroscopio 3D e un magnetometro 3D. Ciascuno dei tre sensori fornisce un input univoco, tuttavia con delle limitazioni operative. Ad esempio, l’accelerometro fornirà il rilevamento del movimento lineare degli assi x, y e z; tuttavia risulta sensibile alle vibrazioni. Allo stesso modo, il giroscopio rileverà il movimento rotatorio di beccheggio, rollio e imbardata, risentendo di uno spostamento pari a zero. Infine il magnetometro darà il rilevamento del campo magnetico per gli assi x, y e z, ma potrebbe essere influenzato da interferenze elettromagnetiche (EMI). Tuttavia, con la fusione dei dati, l’unione di tutte queste funzioni dei sensori determina l’accesso a dati sensoriali completi che possono essere utilizzati in una vasta gamma di discipline mediche.

Il SensorTile (STEVAL-STLKT01V1) di STMicroelectronics è una scheda di fusione di sensori pronta per l’uso (13,5 mm x 13,5 mm) con un accelerometro, un giroscopio, un magnetometro, un sensore di pressione MEMS e un microfono MEMS (vedere Immagine 1). L’hardware viene fornito con un microcontroller STM32L4 32-bit ARM Cortex-M4. Sullo stesso esempio, il FXOS8700CQR1 di NXP è un accelerometro lineare a 3 assi e un magnetometro a 3 assi combinati in un unico package. Grazie all’interfaccia seriale selezionabile I2C oppure una SPI point-to-point con una risoluzione ADC per l’accelerometro da 14 bit e il magnetometro da 16 bit, il sensore fornisce intervalli di accelerazione fondo scala dinamicamente selezionabili da ±2g, ±4g e ±8g, oltre a un intervallo di misurazione magnetica fisso ±1200 μT. Le principali applicazioni nel campo medico includono il monitoraggio del paziente, allarmi di caduta e riabilitazione.

 

Figura 3: diagramma a blocchi funzionale del SensorTile di STMicroelectronics.

 

Rispetto alla tecnologia di fusione dei sensori, che combina input da diversi sensori in un unico output, i dispositivi medici che utilizzano sensori multifunzione consentono il monitoraggio biometrico e della salute con più parametri attraverso lo stesso sensore. Le informazioni biometriche multistrato raccolte grazie a questi dispositivi possono aiutare gli infermieri e i medici a monitorare la salute del paziente in tempo reale, mentre i dati raccolti possono essere successivamente analizzati per effettuare una diagnosi medica. Ad esempio, un dispositivo di monitoraggio integrato indossabile al petto con una scheda controller e un sensore di elettrocardiogramma (ECG), un sensore di temperatura, un accelerometro e un motore di vibrazione può dare informazioni di vitale importanza al personale medico.

MAX30001 di Maxim misura il potenziale bioelettrico del paziente, che deriva dai segnali elettrici generati all’interno del corpo. Grazie a un front-end analogico (AFE) che include sensori per l’analisi bioelettrica e la bioimpendenza (BioZ), questo dispositivo fornisce un unico canale bioelettrico per forme d’onda, battito cardiaco e rilevamento degli impulsi del pacemaker, oltre a un singolo canale di bioimpendenza per misurare la respirazione. Le applicazioni includono gli strumenti di bioautenticazione e di ECG su richiesta, monitor per la respirazione e idratazione, monitor per la frequenza cardiaca e rilevamento di aritmie.

Durante il trattamento in ospedale, solitamente i pazienti vengono sottoposti a numerosi test di diagnosi completi. Tuttavia, una volta dimessi, i medici non riescono più a controllarli. Questo rappresenta un notevole punto cieco della professione sanitaria. La tecnologia, come le soluzioni presentate in questo articolo, renderanno possibile il monitoraggio 24x7 della salute dei pazienti più vulnerabili.

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics

 

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