Les capteurs intelligents améliorent les soins médicaux

Au cours des 75 dernières années, les capteurs ont joué un rôle de plus en plus important dans les progrès de la médecine.

Les capteurs médicaux permettant de surveiller les signes vitaux des personnes, notamment la température, la pression artérielle, la fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire, sont devenus de plus en plus sophistiqués. Mais les capteurs sont également utiles pour mesurer les signes vitaux des équipements médicaux.

Surveillance de la température

Les thermomètres à bulbe en verre sont utilisés depuis des décennies pour prendre la température corporelle. Dans les années 1970, ils ont été remplacés par des versions électroniques à affichage numérique. Il s'agissait de dispositifs peu invasifs qui devaient être insérés quelque part dans le corps du patient.

Aujourd'hui, les appareils les plus courants sont les capteurs de température sans contact à base de thermopile, qui fonctionnent comme une minuscule caméra infrarouge. Ils mesurent l'énergie thermique rayonnée de la peau et fournissent un signal de sortie proportionnel à la température de la peau. Ils peuvent effectuer une lecture en quelques secondes seulement et, sans contact, peuvent aider à éviter la propagation des bactéries et des virus.

Emballés dans un petit boîtier hermétique TO-5 ou TO-18, ils peuvent facilement être montés sur une carte PC. La thermopile est un réseau miniature de dizaines ou de centaines d'éléments de thermocouple sur une puce de silicium. La puce est conçue de sorte que les jonctions sur sa face supérieure soient exposées au rayonnement infrarouge entrant tandis que la face arrière est fixée à un en-tête métallique et reste à température ambiante. Les thermocouples sont connectés en série afin que leurs sorties s'additionnent. La somme des signaux fournit une sortie utilisable avec une amplitude de l'ordre de dizaines de millivolts.

Une vue en coupe d'une thermopile typique est illustrée à la figure 2. La puce est montée de manière à « regarder » à travers une fenêtre qui n'est transparente qu'aux longueurs d'onde infrarouges. Cela aide à éliminer les interférences de la lumière visible. Lorsque l'énergie thermique d'un objet chauffé (ou refroidi) pénètre dans la fenêtre, elle empiète sur le réseau de thermocouples et modifie sa température de surface supérieure par rapport à la température ambiante. Un capteur de température de référence séparé est fixé au collecteur métallique pour mesurer la température ambiante, de sorte que le signal différentiel entre la thermopile et la référence peut être utilisé pour calculer la température réelle de l'objet mesuré. Avec un traitement et une compensation du signal en aval, des précisions dans la plage de ± 1 % à ± 2 % sont facilement réalisables.

Surveillance de la pression artérielle

Un brassard de tensiomètre pratique a été développé en 1905 et est utilisé à ce jour. Le sphygmomanomètre moderne est facile à utiliser, mais ne fournit qu'une mesure indirecte avec une large plage de précision. Un brassard BP manuel entre les mains d'un opérateur qualifié peut atteindre des précisions de près de 98 %. Les tensiomètres électroniques et numériques atteignent généralement une précision de 70 %. Dans les deux cas, ils ne fournissent qu'une lecture moyenne.

Dans des procédures médicales récemment développées, il a été découvert qu'une lecture directe de la pression artérielle sur le site d'une intervention chirurgicale fournit de meilleures données au chirurgien et de meilleurs résultats pour le patient. L'unité commerciale Capteurs de TE Connectivity a récemment présenté son micro-capteur de pression artérielle Intrasense. Sa caractéristique la plus frappante est sa taille extrêmement petite - les dimensions globales sont de 800 µm L x 270 µm l x 70 µm H.

L'Intrasense est un capteur de pression absolue basé sur MEMS avec une plage clinique de -300 mmHg à +500 mmHg. La conception en demi-pont utilise deux éléments piézorésistifs sur la matrice MEMS qui changent leurs valeurs de résistance lorsque la pression est appliquée. Le signal est transmis à une carte de circuits imprimés d'amplification et de compensation à l'extrémité proximale des câbles de 300 mm.

Le capteur peut être placé à l'extrémité d'un cathéter ou d'un fil de guidage très fin, puis utilisé dans des endroits éloignés à l'intérieur du corps, tels que les cavités cardiaques, les artères intercrâniennes ou même à l'intérieur des reins, lors d'interventions chirurgicales critiques.

Surveillance de la fréquence cardiaque et de la fréquence respiratoire

En collaboration avec le Stanford Research Institute (SRI), TE Connectivity a développé une chaise intelligente de démonstration qui peut mesurer à la fois la fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire d'une personne qui reste simplement assise dessus. La chaise est dotée d'éléments en film piézo-polymère stratégiquement placés dans l'assise et le dossier. Ces éléments de détection détectent à la fois le rythme cardiaque et la respiration.

Le film piézo-polymère est un matériau unique fabriqué à partir de fluorure de polyvinylidène (PVDF). Grâce à des techniques de fabrication spéciales, ce film peut être rendu piézoélectrique, une propriété où les matériaux génèrent une charge électrique lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques. Le film est très fin (28 μm), pliable et s'adaptera facilement aux charges de contrainte à l'intérieur du coussin de siège lorsque quelqu'un s'assiéra et les détectera.

Pendant la respiration, le centre de gravité du corps se déplace légèrement à mesure que la cage thoracique se dilate et se contracte à chaque respiration. Les éléments piézo du fauteuil détectent ces changements dynamiques et fournissent un signal utilisable à l'électronique. Pour le rythme cardiaque, les capteurs utilisent la ballistocardiographie, qui est la détection d'une onde de pression normale à la peau qui est produite par des pulsations artérielles. Les futures versions de cette démo ajouteront des cellules de charge aux pieds de la chaise, afin que l'occupant puisse être pesé. L'ajout de plusieurs autres capteurs piézo aidera également à détecter la taille physique de l'occupant. En plus des données de poids, un indice de masse corporelle (IMC) peut être calculé. Cette chaise devient un excellent outil pour les applications de soins à domicile car aucun professionnel de la santé qualifié n'est nécessaire, et un mini "bilan" peut être effectué à tout moment - il suffit de s'asseoir tranquillement et de se détendre.

Auto-surveillance des équipements médicaux

Les machines médicales thérapeutiques et chirurgicales doivent fonctionner avec des niveaux de précision très élevés. Pour s'assurer que l'instrument fonctionne correctement, les concepteurs ajoutent désormais des capteurs qui suivent les fonctions critiques de la machine. Ces capteurs peuvent fonctionner de deux manières. Ils peuvent faire partie d'une boucle de rétroaction et de contrôle qui mesure un paramètre, puis effectue des ajustements sur l'équipement pour qu'il continue de fonctionner dans des plages spécifiées. Le capteur peut également être utilisé comme alarme de limite. Lorsqu'un paramètre sort des spécifications ou que la machine fonctionne mal d'une manière ou d'une autre, le capteur alerte l'opérateur de la condition de panne et peut même arrêter la machine pour protéger la sécurité du patient.

Les capteurs intégrés aux ventilateurs médicaux modernes sont de bons exemples de cette technique. Le schéma fonctionnel de la figure 5 montre le fonctionnement interne d'une machine typique. Notez que tous les capteurs sauf un surveillent les fonctions du ventilateur. Le CO ₂ le capteur est le seul à surveiller une fonction du patient.

Soins à domicile

Il y a une tendance en médecine à déplacer les patients hors des hôpitaux et vers des établissements de soins à domicile. Les patients sont plus à l'aise à la maison. Ils obtiennent l'attention de soignants familiers et se remettent plus rapidement de leurs maux. Les capteurs intégrés aux équipements de soins à domicile rendent les machines fiables, simples à utiliser et éliminent le besoin d'une attention constante de la part des professionnels de la santé. Les résultats sont une meilleure sécurité des patients et de meilleurs résultats médicaux.

Le futur

Des travaux sont en cours dans l'ensemble de l'industrie médicale pour intégrer davantage de capteurs dans les machines et les procédures utilisées par les médecins et leurs équipes. L'ajout de capteurs aide à garder un œil sur les fonctions et les performances de l'équipement, ce qui permet aux professionnels de la santé de tourner les yeux vers le patient et de créer de meilleurs résultats cliniques. Qu'ils soient utilisés pour surveiller un patient ou surveiller la machine médicale utilisée pour traiter les patients, l'utilisation croissante des capteurs apportera des avantages significatifs au monde de la médecine.

Cet article a été écrit par Pete Smith, Sr. Manager, Sales and Marketing Support, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Schaffhouse, Suisse/Berwyn, PA). Pour plus d'informations, contactez M. Smith à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la voir., ou visitez ici .