Сензори за медицински приложения

Начало > Електроника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 5/2023 > 27.07.2023

  • Технологичните достижения в сферата на електрониката позволиха обособяването на пазара на специализиран сегмент от сензори за приложения в сферата на медицината и здравеопазването

  • Задачата им е да събират разнообразни по тип данни за човешкия организъм и заобикалящата го среда и да ги изпращат безжично към съответната платформа или потребител

  • Медицинските сензори непрекъснато еволюират в посока по-висока точност, ефективност и надеждност в по-миниатюрни размери и на по-достъпна цена

Технологичните достижения в сферата на електрониката позволиха обособяването на пазара на специализиран сегмент от сензори за приложения в сферата на медицината и здравеопазването, предназначени да бъдат интегрирани в различни по функция импланти, носими, портативни и стационарни устройства и оборудване, включително фитнес гривни, ленти и лепенки за прилагане върху кожата, умни дрехи, измервателни уреди, болнични легла, монитори, животоподдържащи системи и др.

Задачата им е да събират разнообразни по тип данни за човешкия организъм и заобикалящата го среда и да ги изпращат безжично към съответната платформа или потребител, например мобилно приложение за смартфон или таблет, дигитален пациентски картон, болнична картотека и т. н.

Медицинските сензори непрекъснато еволюират в посока по-висока точност, ефективност, надеждност и по-кратки времена на отговор в по-миниатюрни размери и на по-достъпна цена, за да отговорят на тенденциите в развитието на оборудването в този високотехнологичен сектор, което разполага с все по-широки възможности за комуникация и мобилност и все по-интелигентни функции. Сред иновациите, които коренно трансформират и този сегмент, безспорно е Internet of Things (IoT), като през последните години се наложи и специализиран вариант на концепцията – Internet of Medical Things (IoMT), който обединява свързаните смарт сензори, устройства, мобилни и облачни изчислителни платформи за медицински приложения, които позволяват проследяване в реално време на ключови жизнени показатели, данни за работата на различни критични системи или параметри на микроклимата в здравни заведения.

 

Развитие на приложенията

Медицинските сензори са миниатюрни електронни устройства, които могат да бъдат носени върху тялото, да бъдат имплантирани в него (подкожно, в даден орган, в кръвния поток и т. н.) или да бъдат интегрирани в преносими и стационарни уреди и системи за измерване на ключови жизнени показатели или параметри на околната среда, оказващи влияние върху здравето и физическото състояние. Сензорите в тази категория разполагат с интегрални схеми, които кондиционират получения сигнал и го изпращат към микропроцесор за съхранение, изчислителни операции или визуализиране на данните на съответното външно устройство.

Според типа на контакт с тялото сензорите в медицината и здравеопазването се подразделят основно на имплантируеми (инвазивни), носими, неносими и безконтактни (например инфрачервени термометри).

Четирите основни физиологични параметъра, които медиците следят във връзка с диагностиката, лечението и наблюдението на своите пациенти, са телесна температура, кръвно налягане, дихателна и сърдечна честота (пулс). Снемането на данни може да бъде за продължителен период през определен интервал с цел съпоставяне на стойностите при различни условия и идентифициране на тенденции с оглед хода на развитие на остри и хронични заболявания. Особено важна е ролята на сензорите в грижата за хора с диабет, рак, сърдечно-съдови проблеми, астма и други дихателни затруднения и още медицински състояния, изискващи ежедневно (и дори няколко пъти на денонощие) отчитане и записване на критични показатели като нива на кръвна захар, инсулин, кислородна сатурация и т. н.

Различни носими и портативни сензорни устройства се използват и за проследяване на физическите показатели на военни, спортисти, работници в индустрията и други рискови групи по време на рутинни прегледи, както и за асистиране на възрастни и лица с увреждания (например загуба на слух, зрение или друга инвалидизация и т. н.) в ежедневието им. В интерпретирането на информацията, събирана чрез обработка на цифровите сигнали от медицинските сензори, все по-активно се включват иновативни технологии, като изкуствен интелект, машинно и дълбоко самообучение, Big Data инструменти за анализ на големи обеми от данни и др.

 

Работен принцип, специфики и функционални възможности

Медицинските сензори са подходящи за разнообразни приложения в сферата на носимата електроника (wearables), включително в специализирани устройства за прикрепяне върху/вътре в ухото (т. нар. hearables). За да могат да бъдат безпроблемно и безопасно поставени във, върху или около човешкото тяло, датчиците в сегмента е необходимо да отговарят на специфични изисквания по отношение на габаритите. Тенденцията е към непрекъсната миниатюризация, а корпусите обикновено са с габарити не повече от 1 cm3. Това поставя специфични предизвикателства по отношение на размера на батериите и капацитета им за съхранение на енергия. В тази връзка се разработват нови технологии и методи за намаляване на консумацията и възможности за energy harvesting – събиране и преобразуване на енергия от човешкото тяло или допълнителни източници от околната среда чрез автономни миниатюрни електрозахранвания.

Използваните в рамките на едно и също медицинско приложение и една и съща безжична мрежа сензорни възли често са хетерогенни по тип и характеристики и изискват различни скорости за пренос на данни (обикновено от няколко Kbps до няколко Mbps), честоти и енергийни ресурси.

Безжичната комуникация при медицинските датчици протича на три основни мрежови нива:

• В тялото (In-body): между отделни носими или имплантирани сензори или между тях и приемник извън тялото;

• Върху тялото (On-body): между носими сензори и координатор – устройство за събиране и прехвърляне на данни към система за локална обработка;

• Външна комуникация: между координатор /устройство за събиране на данни/ и отдалечен back-end сървър.

Задължително изискване към сензорите за медицински приложения е да бъдат изключително прецизни, тъй като от правилното отчитане на дадени показатели често зависят оценката на състоянието, окончателната диагноза и евентуалната терапия. Спецификациите за точност на отчитането варират според приложението – в болнична/клинична среда или за домашно използване, като във втория случай обикновено се използват потребителски клас датчици и устройства на по-достъпна цена, които предполагат известни отклонения от реалните стойности при отчитането. В първия стандартите за прецизност са много по-стриктни. При измерване на температура медицинският клас за точност например е от порядъка на ±0,2°C.

Сензорите за медицински приложения обикновено са чувствителни към топлинни смущения, което налага температурното им компенсиране, за да се запазят високи термичната им стабилност, надеждността и повторяемостта на отчитане. Сред ключовите изисквания към корпусите на медицинските датчици са да бъдат със специален хигиенен и биосъвместим дизайн (и материали за изработка) и да са високоиздръжливи на различни стандартни или допустими в съответните приложения фактори, включително влага (при досег например с пот върху кожата или други телесни течности), замърсявания, химикали за почистване и дезинфекция при многократна употреба и поддръжка и др. Редица производители предлагат и т. нар. “disposable” версии (за еднократна употреба), които се отличават с многократно по-ниска цена, но е необходимо да бъдат също толкова точни като конвенционалните си аналози.

Друго стандартно изискване към медицинските сензори с оглед на прецизното им отчитане е да разполагат с ESD/EMI защита (срещу електростатични разряди и електромагнитни смущения). Устройствата за медицински приложения подлежат на фабрично и регулярно последващо калибриране, като най-съвременните модели в сегмента разполагат с функции за автоматично самокалибриране, които гарантират високата им прецизност.

IEC 60601 е поредица от технически стандарти за безопасността и основните характеристики на електронно и електрическо медицинското оборудване, публикувана от Международната електротехническа комисия. Сред глобалните организации, които разработват насоки и спецификации в сферата на оптимизирането на сензорите за приложения в сферата на здравеопазването, е и Асоциацията за усъвършенстване на медицинската апаратура (AAMI).

Чувствителните елементи и останалите компоненти на медицинските сензори традиционно се произвеждат в чисти стаи с висок клас по ISO, като за изработката им се използват различни конвенционални и иновативни методи, характерни за прецизното електронно производство (запояване, повърхностен монтаж, микромеханична обработка, нанасяне на покрития, лазерно компенсиране на допуски в размерите на корпусите и т. н.), за които се изисква специализирано оборудване. Все по-популярни в сегмента са роботизираните системи за производство на медицински устройства, които гарантират висока точност, повторяемост и надеждност на извършваните операции.

Основни типове сензори в медицината и здравеопазването

Различни по вид и функционални възможности сензори се използват в болнични и здравни заведения, клиники, лекарски и зъболекарски кабинети, лаборатории и др. С развитието на приложенията в сегмента на пазара вече са достъпни и множество варианти на носими, портативни устройства и измервателни уреди, базирани на високочувствителни медицински датчици, подходящи за лична употреба в домашни условия, във фитнес зали и т. н.

Двата основни типа сензорни устройства в медицината според видовете измервани параметри са датчиците за физиологични показатели и датчиците за мониторинг на миркоклимата/околната среда. В сегмента се предлага богато разнообразие от варианти според изискванията на различни приложения, включително температурни датчици и проби (термосензори, термистори), сензори за влага, поток (въздушен, на газове и флуиди), датчици и предаватели за налягане, натиск (сила), кислород, биопотенциални, електрохимични сензори, теглоизмервателни датчици, акселерометри, оптични четци на кодове и маркировки, сензори за машинно зрение, магнитни превключватели, MEMS системи, сензори за качеството на въздуха (например за въглероден диоксид), сеизмични датчици, сензори за светлина, датчици за позиция с ефект на Хол и др. Част от тях са предвидени за повърхностен монтаж върху интегрални схеми, предназначени за носими устройства, други – за интегриране в импланти, протези, портативни измервателни прибори, уреди или стационарни системи, а трети – най-миниатюрните и с най-високи изисквания за биосъвместимост – за директно имплантиране в човешкото тяло.

Медицинските сензори намират приложение в различни типове инвазивно, преносимо или фиксирано интелигентно оборудване за персонална здравна грижа в домашни условия или медицинска диагностика и терапия в болнични условия, включително смарт гривни, холтери, глюкомери, инхалатори, пулсови оксиметри, електронни стетоскопи, системи за ултразвукова диагностика, инсулинови помпи, интелигентни легла, апаратура за мониторинг (включително пренатален) или поддържане на жизнени показатели, терапевтични устройства за сънна апнея, устройства за интравенозно приложение на различни медикаменти, оборудване за диализа, сърдечни стентове, байпаси, дефибрилатори и др.

Специални сензори се използват в слуховите импланти за трансформиране на гласови сигнали и други звуци от околната среда в електроимпулси, които се изпращат към микроелектроди в ухото, осигуряващи слухово усещане чрез стимулиране на определена група нерви. Съществуват и специални микросензорни устройства за диагностика на стомашно-чревния тракт, подобни на таблетка или капсула и подходящи за директно поглъщане от пациента. Специален клас сензори за поставяне върху тялото намират приложение и в ЕЕГ, ЕМГ, ЕП и ЕКГ диагностиката.

За управление на микроклимата в контролирани среди, като операционни, реанимации, неонатологични отделения и др., са предназначени различни, базирани на интелигентни сензори, системи – термостати, уреди и инсталации за отопление, вентилация и климатизация, пречистване и контрол на фините прахови частици, доставка на кислород и др. Едно от най-модерните медицински приложения, които изискват използването на множество различни по тип и функционалност високопрецизни сензори, е роботизираната хирургия.


Вижте още от Електроника


Ключови думи: медицински сензори, медицински датчици, медицински приложения, биосензори, IoT, IoMT, носима електроника, носими устройства, импланти



Редактор на статията:

Пепа Петрунова

Пепа Петрунова

Редактор

  • Завършва специалност "Журналистикa" в СУ "Св. Климент Охридски";

 

  • Заема длъжността редактор "Списания" от 2013 г.;

 

  • Разполага с над 15 години опит в разработването на оперативни материали и технически статии в широк кръг от тематични области.

 

Пепа Петрунова в LinkedIn

Новият Специален брой: Продукти и решения за енeргоспестяващо и устойчиво производство/2024

Специален брой: Продукти и решения за енeргоспестяващо  и устойчиво производство-2024

  ЧЕТЕТЕ БРОЯ ОНЛАЙН

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ



Top