Sensori MEMS: una rivoluzione nel settore sanitario

Anche se la tecnologia MEMS (Micro Electro-Mechanical System) non si può certo definire una novità, in quanto la sua nascita risale a parecchi decenni fa, si può a ragione affermare che solo in tempi recenti è iniziato lo sfruttamento delle sue reali potenzialità. L'integrazione di circuiti elettrici e di strutture meccaniche su un singolo substrato di dimensioni micrometriche, oltre ad essere la tecnologia alla base della maggior parte degli odierni dispositivi indossabili, riveste un ruolo fondamentale nell'implementazione di numerose funzionali degli attuali smartphone.

Introduzione

Senza dimenticare l'enorme influenza dei MEMS sullo sviluppo delle biotecnologie: grazie a questi minuscoli dispositivi i ricercatori possono esaminare, localizzare e agire su composti biologici e chimici presenti nel corpo umano e nei complessi sotto-sistemi che lo compongono. Ciò permetterà di individuare nuove strade per identificare e prevenire malattie e condizioni fisiche debilitanti. Ad esempio si sta sperimentando l'uso della tecnologia MEMS per la realizzazione di neuro protesi con l'obiettivo di ridare la vista ai ciechi o restituire un certo grado di mobilità ai disabili. Si tratta, ovviamente, di sviluppi che possono contribuire in modo significativo a migliorare condizioni di vita reale.

I dispositivi MEMS hanno contribuito in maniera significativa all'evoluzione del settore medicale per la diagnosi e l'assistenza sanitaria e sono stati utilizzati con ottimi risultati nei sensori di pressione. Attualmente i sensori di pressione basati sui MEMS che comunicano in modalità RF possono essere impiantati direttamente nel corpo umano, fornendo informazioni dettagliate sulle condizioni di organi e arterie. Alcuni recenti progressi nel packaging dei MEMS hanno avuto un ruolo di fondamentale importanza in questo ambito.

Le piccole dimensioni e la "non invasività" dei sensori di pressione basati su MEMS hanno permesso di realizzare dispositivi medicali portatili caratterizzati da ingombri ridotti, mentre il basso costo ha permesso di realizzare sensori di tipo usa e getta. Tali sensori possono essere utilizzati per misurare pressione del sangue e respirazione dei pazienti ricoverati negli ospedali oppure trasportati a bordo delle ambulanze. Anche il loro impiego nelle apparecchiature per dialisi e nelle pompe per infusione ha rappresentato un vero e proprio punto di svolta.

L'integrazione di sensori inerziali basati su MEMS nei dispositivi consumer sta avendo un notevole impatto sulle modalità adottate dagli operatori sanitari impegnati nella cura di pazienti che potrebbero essere soggetti a cadute accidentali. Tramite il monitoraggio dei movimenti di questi pazienti gli operatori possono essere avvisati in anticipo di potenziali pericoli di cadute, in modo da essere in grado di intervenire in modo tempestivo. La medesima tecnologia è ora utilizzata per il trattamento della scoliosi: in questo caso è prevista la misura della frequenza e dell'intensita con la quale il busto viene indossato e stretto dal paziente, in modo da poter superare eventuali ostacoli che possono avere effetti negativi sulla cura.

Un corpo in movimento

Poiché i MEMS sono realizzati sfruttando le medesime tecnologie impiegate per la produzione dei semiconduttori tradizionali, alcuni costruttori IDM (Integrated Device Manufacturer) dispongono di tutte le risorse necessarie per sviluppare e realizzare sensori MEMS. Nel corso della "Medical MEMS and Sensors Conference 2017"  (che si è tenuta a Santa Clara nel mese di Novembre dello scorso anno), Mark da Silva, Engineering Manager of High Performance Sensors di Analog Device ha presentato una memoria, dal titolo ‘Ultra Low Power Implantable Inertial MEMS Sensors’ nella quale veniva delineata la direzione secondo la quale alcuni produttori di semiconduttori si stavano muovendo. Sensori inerziali basati su MEMS di tipo implantabile potrebbero essere impiegati per monitorare il movimento degli arti in tempo reale, mentre analoghi sensori implantati nella schiena potrebbero essere usati per la stimolazione del midollo spinale finalizzata al trattamento del dolore.

Acceleromenti MEMS a bassissima dissipazione, come ad esempio i dispositivi della serie ADX362 di Analog Devices, sono già disponibili e ampiamente utilizzati in un gran numero di applicazioni, tra cui apparecchi acustici e assistenza domiciliare. Questo accelerometro a 3 assi è in grado di misurare l'accelerazione sia dinamica sia statica (ad esempio per rilevare sollecitazioni) e consuma solamente 10 nA (in modalità sleep) e 270 nA in modalità "motion triggered" (ovvero risveglio provocato dal movimento). Poiché a differenza di altri dispositivi analoghi questo accelerometro non utilizza il sotto-campionamento, l'intera ampiezza di banda del sensore è campionata in modo da fornire una risoluzione in uscita sia a 12 sia a 8 bit. La risoluzione può arrivare a 1mg/LSB sull'intervallo di ±2 g mentre il livello di rumore standard è pari a 500μg/√Hz, valore che può essere ulteriormente ridotto a 175μg/√Hz grazie alla modalità a basso rumore. Come visibile in figura 1, ADXL362 integra filtri anti-aliasing e un sensore di temperatura, oltre a un convertitore A/D, un'interfaccia SPI e la logica digitale necessaria.

 

Figura 1: ADXL362 di Analog Devices è un accelerometro a 3 assi a bassissimo consumo ideale per applicazioni in campo sanitario

 

E' possibile valutare tutte le caratteristiche dell'accelerometro ADXL362 utilizzando la scheda EVAL-ADXL362-ARDZ compatibile con Arduino (fig. 2) che integra uno schermo LCD per visualizzare i dati relativi all'inclinazione e alla temperatura forniti dal sensore. Questa scheda è anche compatibile con la scheda di valutazione EVAL-ADICUP360 di Analog Devices che contiene interfacce Arduino e Pmod.

 

Figura 2: La scheda di valutazione EVAL-ADXL362-ARDZ

 

 

Caratterizzato da un livello di integrazione più spinto, ICM-20948 di TDK InvenSense (fig. 3) è un dispositivo per il rilevamento del movimento a 9 assi che comprende un giroscopio a 3 assi, un accelerometro a 3 assi e un magnetometro a 3 assi, oltre a un processore di movimento digitale: il tutto è ospitato in un modulo multi-chip di dimensioni pari a 3 x 3 x 1 mm. Ciascun sensore prevede una modalità di auto-diagnostica (self-test), mentre il processore di movimento gestisce la calibrazione oltre agli algoritmi per l'elaborazione del movimento, riducendo in tal modo il carico di lavoro del processore host.

 

Figura 3: Schema a blocchi del modulo multi-chip ICM-20948, un dispositivo MEMS a 9 assi per il rilevamento del movimento

Sotto pressione

Come menzionato in precedenza, una delle più importanti applicazioni dei MEMS nel settore medicale è quella dei sensori di pressione. Essi possono essere utilizzati nei ventilatori per monitorare la frequenza respiratoria, nelle apparecchiature di dialisi per misurare la pressione sanguigna in ingresso e in uscita utilizzata per la regolazione del flusso e persino nella chirurgia oculistica. I sensori di pressione basati su MEMS possono essere impiegati per il rilevamento di ossigeno, anidride carbonica, calcio, potassio e glucosio nel sangue, oltre che nelle pompe per la somministrazione di farmaci. Essi sono anche adottati nei dispositivi a pressione positiva continua delle vie aeree per il trattamento dell'apnea notturna e per la terapia delle ferite a pressione negativa.

Il monitoraggio non invasivo della pressione arteriosa è utilizzato per misurare la pressione sistolica e diastolica di un paziente mediante il tradizionale bracciale gonfiabile. La pressione viene applicata al braccio finché l'arteria viene occlusa non consentendo quindi il passaggio del sangue. A questo punto la pressione viene diminuita fino al momento in cui il sangue non riprende a scorrere, producendo un rumore: il primo rumore udito chiaramente corrisponde alla pressione sistolica (massima). Riducendo ulteriormente la pressione i rumori diverranno via via più deboli fino a quando il medico non sarà più in grado di rilevare alcun rumore relativo al flusso di sangue nell'arteria: la completa scomparsa dei rumori corrisponde alla pressione diastolica (minima). Grazie all'uso di sensori basati su MEMS è possibile automatizzare il monitoraggio non invasivo della pressione sanguigna. Questa, in termini di volumi, è una delle applicazioni più importanti per i sensori di pressione MEMS. Silicon Microstructures è senza dubbio una delle maggiori aziende impegnate nella progettazione e realizzazione di sensori di pressione MEMS e il dispositivo  SM4421 è un ottimo esempio di sensore di pressione adatto a un'applicazione di questo tipo. Ospitato in un package SOIC-16, il dispositivo integra un elemento di rilevamento MEMS e un circuito ASIC per il condizionamento del segnale ed è in grado di fornire un'uscita a 14 bit compensata in temperatura attraverso un'interfaccia I2C. Disponibili in varie configurazioni - gauge, differenziale e asimmetrica - i dispositivi che formano la serie SM4x21 possono operare nell'intervallo di pressione compreso tra 2,5 e 14,9 PSI e trovano impiego in un'ampia gamma di differenti applicazioni medicali.

Il futuro dei MEMS nel settore medicale

I MEMS hanno tutte le potenzialità per trasformare in modo radicale molti aspetti dell'assistenza sanitaria: il concetto di "lab-on-a-chip", ad esempio, permetterà di effettuare diagnosi rapide e a basso costo in località remote o nei Paesi in via di sviluppo. Le tecnologie impiegate per la produzione dei MEMS sono anche sfruttate per lo sviluppo delle nanotecnologie, due settori in realtà strettamente correlati tra di loro. In un futuro non molto lontano la microfluidica si intreccerà ancora più strettamente con la microelettronica, mentre l'introduzione di nuovi materiali come i nanotubi al carbonio e il grafene apriranno nuove e sempre più interessanti prospettive.

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics - Distributore autorizzato

 

 

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