Elektronische Systeme in medizinischen Geräten und Sonden stützen sich auf Sensorsignale als Grundlage für Steuerungsaktivitäten, korrekte Diagnosen und Therapiemaßnahmen. Der Entwurf von Sensoren nach strengsten Spezifikationen, die den Beanspruchungen medizinischer Anwendungen gewachsen sind und die Bestimmungen der erforderlichen Registrierungen nach FDA oder CE entsprechen, ermöglicht innovative Systeme, die aus Konzepten intelligente und verbundene Lösungen machen.
Obwohl der Entwurf von Sensoren für lebensrettende und lebenserhaltende Anwendungen an sich komplex erscheint, kann die Auswahl des korrekten Sensors einfach sein, wenn die Anwendung und die zu überwachenden Parameter klar verstanden werden. So gelten für medizinische Umgebungen typischerweise anwendungsspezifische sowie Standard- und individuelle Anforderungen, die vom Entwurf bis zur Fertigung der Produkte berücksichtigt werden müssen. Dazu kommt, dass zu einer Anwendung mehrere Sensortechnologien gehören können.
Wenn die Techniker wissen, wie eine bestimmte Sensortechnologie in einer ganz speziellen medizinischen Umgebung eingesetzt werden kann, können sie effektive Sensorlösungen implementieren.
Präzise Patientenüberwachung
Die jüngsten Fortschritte der Medizin bieten Beispiele dafür, wie Sensoren Innovationen befördern und ein vertieftes Verständnis von Erkrankungen ermöglichen, aber auch Therapien und das Wohlbefinden von Patienten verbessern können.
Optikbasierte Sensoren werden in medizinischen Anwendungsbereichen eingesetzt, in denen es vor allem auf die Auswahl von Spitzenwellenlängen ankommt, etwa bei der Pulsoxymetrie (SpO2), und sie können in komplexe Sensorkonstruktionen für Pulsoxymetrie-Anwendungen integriert werden. (Abbildung 1) TE Connectivity (TE) bietet optische Sensoren mit doppelter LED, Zwei-Wellenlängen-Emittoren und spektral aufeinander abgestimmten Fotodetektoren sowie einer SpO2-Sondenplattform mit wiederverwendbaren Fingerclips, weichen Silikonschuhen sowie einer Reihe von Einweg-Sensoren.
Als äußerst vielseitige Sensortechnologie bietet der piezoelektrische Fluorpolymerfilm einzigartige Eigenschaften und erzeugt Spannung und Stromstärke im direkten Verhältnis zur dynamischen Belastung. Der Film ist für die verschiedensten individuellen Designs, Konfigurationen und Anwendungen geeignet. Bei medizinischen Anwendungen kann ein Piezo-Film unter der Nase oder in einem Brustgurt platziert werden, um die Atmungsfrequenz von Patienten zu messen. Das dünne Profil des Films macht ihn auch für tragbare Medizingeräte („Wearables“) geeignet.
Digitale Sensoren für Feuchtigkeit, relative Feuchtigkeit und Temperatur von TE enthalten eine einzigartige kapazitive Zelle. Diese energiesparenden Geräte sind für kostensensitive OEM-Anwendungen mit engen Platzeinschränkungen geeignet – darunter eben auch für medizinische Geräte. Feuchtigkeitssensoren bieten verschiedene Möglichkeiten für die Überwachung der Luftqualität in Beatmungsanwendungen und können in verschiedenen Formaten eingesetzt werden, keineswegs nur als einzelne Komponenten.
Fortschritte beim Keramik-Design für NTC-Thermistoren (Negative Temperature Coefficient) ermöglichen die zunehmende Genauigkeit eigenständiger Temperaturüberwachungsanwendungen für Patienten; gleichzeitig erhöhen Sie den Patientenkomfort durch weniger invasive Methoden zur Temperaturmessung. Dazu kommt, dass diese Fortschritte immer kleinere Gehäuse und so die Verwendung in neuen und innovativen Anwendungen zur Temperaturmessung für Patienten ermöglichen.
As Feuchtigkeitstransducer sind PCB- (Platinen-) Module und bieten so (digitale) Ausgaben der Frequenz; sie können im Bereich von 10 - 95 % relativer Luftfeuchtigkeit auf eine Genauigkeit von 3 - 5 % kalibriert werden. Sie können auch für die (analogen) Spannungsausgabe konstruiert und im Bereich von 10 - 95 % relativer Luftfeuchtigkeit auf eine Genauigkeit von 2 % kalibriert werden; dies erlaubt ihren Einsatz in Luftqualitätsanwendungen, in denen die Kompensation der Feuchtigkeit erforderlich ist.
Verwendung in der Medizin der Atemwege
Niedrigdrucksensoren auf Platinenebene, installiert in der Maske eines Atemgeräts oder in einem Lüfter messen und melden kontinuierlich den Luftdruck und erkennen und unterstützen den Inhalations-/Exhalationszyklus.
Dazu befinden sich im Maskenkörper Thermosäulen-Temperatursensoren zur Überwachung des CO2-Gehalts in der Ausatemluft des Patienten, während am Körper oder im Gesicht angebrachte Hauttemperatursensoren die Körpertemperatur überwachen. In den Luftwegen platzierte Temperatursensoren messen und steuern die Temperatur der dem Patienten zugeführten Luft.
SpO2-Fotooptik-Sensoren, die mit dem Lüfter oder dem Atemgerät selbst verbunden sind, erkennen die Herzfrequenz und die Sauerstoffsättigung im Blut.
Am Tank überwachen magnetresistive Positionssensoren den verbleibenden Wasserstand, damit dieser nicht zu weit absinkt, während in den Wassertank oder das Heizelement integrierte Feuchtigkeitssensorkomponenten, -baugruppen oder -PCB-Module die Feuchtigkeit überwachen, um angenehmes Atmen zu ermöglichen.
In CPAP-Anwendungen (Continuous Positive Airway Pressure) befinden sich Niedrigdrucksensoren auf Platinenebene inner- oder außerhalb der Pumpe oder Maske, um den Luftdruck kontinuierlich zu überwachen. Bei Verwendung innerhalb des CPAP-Geräts zählen diese Sensoren die Ein- und Ausatmungsvorgänge.
Dieselben Sensorkomponenten, -baugruppen und PCB-Modulen, die in Atemgeräten und Lüftern verwendet werden, steuern auch die Feuchtigkeit in CPAP-Geräten, um bequemes Atmen zu ermöglichen. In solchen Fällen sind die Sensoren in die Atemmaske oder das Feuchtigkeitsgenerator-Überwachungsgerät integriert.
Sensors liefern auch kritische Daten für die Untersuchung von Schlafapnoe. In Hautpflaster integrierte NTC-Temperatursensoren messen an der Stirn oder an Gliedmaßen die Körpertemperatur, während SpO2-Fotooptik-Sensoren in einem Puls-Oxymeter für die Fingerspitze Sauerstoffsättigung und Pulsfrequenz messen.
Piezo-Film-Sheets können als Pflaster auf der Nase (etwa, um Vibrationen zu erkennen, wie sie beim Schnarchen auftreten) oder unter der Nase zur Überwachung der Atmungsmuster eingesetzt werden. An der Stirn oder an Gliedmaßen erkennt dieser Film Körperbewegungen und Störungen während des Schlafs.
Im Anästhesiebereich kann ein als NMT- (Neuromuskuläre Transmission) Sensor verwendeter Piezo-Film die Tiefe der Narkose überwachen und so zur optimalen Versorgung des Patienten beitragen.
Diese wenigen Beispiele dafür, wie Sensoren zu Innovationen in medizinischen Anwendungen beitragen, geben nur einen ungefähren Eindruck dessen, was heute getan werden kann, um die Patientenversorgung, ihre Überwachung und ihre allgemeine Lebensqualität zu verbessern. Nachfolgend finden Sie eine Liste weiterer Sensortechnologien, mit denen im Rahmen medizinischer Anwendungen körperliche Eigenschaften überwacht werden können.
Weitere Informationen über die TE-Sensoren für medizinische Anwendungsbereiche finden Sie unter: https://www.arrow.com/manufacturers/te-connectivity
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TYPISCHE SENSORTECHNOLOGIEN FÜR MEDIZINISCHE ANWENDUNGEN
Druck
• Piezoresistiver MEMS-Siliziumchip
• Mikrofokussiertes, gebundenes Silizium-Belastungsmessgerät
• Medien-isolierte Druckkapseln
• Dehnungsmessstreifen mit aufgeklebter Folie (Bonded Foil Strain Gage (BFSG))
• Miniatur-MEMS-Dehnungsmessstreifen
Temperatur
• NTC-Thermistoren
• Miniatur-Thermoelemente
• Kontaktfreie Thermosäulen (Passiv IR)
• Platin-Dünnfilm-Widerstand
Temperaturdetektor (RTD)
• Digital-Temperatur-Chiptechnologie
Feuchtigkeit
• Kapazitiv (proprietär)
• Kombinierte Feuchtigkeits- und Temperaturmodule
Fotooptik
• Doppelte Wellenlänge
• Fotodiodensensoren
• Kombination aus Emitter- und Sensormodul
Kraft und Last
• Piezoresistiver MEMS-Siliziumchip
• Mikrofokussiertes, gebundenes Silizium-Belastungsmessgerät
• Dehnungsmessstreifen mit aufgeklebter Folie (Bonded Foil Strain Gage (BFSG))
Piezoelektrik
• Piezo-Polymerfilm
• Pieze-Keramik
Flüssigkeitsstand
• Einpunkt-Reedschalter
• Einpunkt-Ultraschall
• Kontinuierlich Ultraschall
• Invasiv
• Nicht-Invasiv
Position
• Linear LVDT
• Rotary Variable Differential Transformer (RVDT)
• Kabelerweiterung (Stringpot)
• Linear magnetresistiv
• Rotierend magnetresistiv
• Kipp- und Winkelsensoren
Vibration und Beschleunigung
• MEMS-basierter Beschleunigungsmesser
• Piezolektrik-basierter Beschleunigungsmesser
• Einzel-, Biaxial- und Triaxial-Konfigurationen