Capteurs intelligents : transformation des soins médicaux modernes

L'essor des capteurs dans la médecine

Au cours des 75 dernières années, les capteurs ont joué un rôle de plus en plus significatif dans l'avancement de la médecine.

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

Surveillance de la température

Les thermomètres à bulbe en verre ont été utilisés pendant des décennies pour mesurer la température corporelle. Dans les années 1970, ils ont été remplacés par des versions électroniques à affichage numérique. Ces dispositifs peu invasifs devaient être insérés dans le corps du patient.

Aujourd'hui, les dispositifs les plus courants sont les capteurs de température sans contact basés sur des thermopiles, qui fonctionnent comme de minuscules caméras infrarouges. Ils mesurent l'énergie thermique rayonnée par la peau et fournissent un signal de sortie proportionnel à la température cutanée. Ils effectuent une lecture en quelques secondes et, étant sans contact, aident à éviter la propagation de bactéries et virus.

Conditionnés dans un petit boîtier hermétique TO-5 ou TO-18, ils se montent facilement sur circuit imprimé. La thermopile est un réseau miniature de dizaines ou centaines d'éléments thermocouples sur une puce de silicium. La puce est conçue pour que les jonctions sur sa face supérieure soient exposées au rayonnement IR entrant tandis que la face arrière, fixée à une base métallique, reste à température ambiante. Les thermocouples sont connectés en série pour additionner leurs sorties, fournissant un signal utilisable d'amplitude de l'ordre de dizaines de millivolts.

Surveillance de la pression artérielle

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

Dans des procédures médicales récentes, on a découvert qu'une lecture directe de la pression artérielle au site d'une chirurgie fournit de meilleures données au chirurgien et de meilleurs résultats pour le patient. L'unité commerciale Capteurs de TE Connectivity a récemment introduit son capteur de pression artérielle micro Intrasense. Sa caractéristique la plus frappante est sa taille extrêmement réduite : dimensions globales de 800 µm L x 270 µm L x 70 µm H.

L'Intrasense est un capteur de pression absolu basé sur MEMS avec une plage clinique de -300 mmHg à +500 mmHg. Son design à demi-pont utilise deux éléments piézorésistifs sur la puce MEMS qui modifient leurs valeurs de résistance sous l'effet de la pression. Le signal est transmis à une carte d'amplification et de compensation à l'extrémité proximale des fils de 300 mm.

Le capteur peut être placé à l'extrémité d'un cathéter ou fil-guide très fin, puis utilisé dans des zones reculées du corps — cavités cardiaques, artères intracrâniennes, voire à l'intérieur des reins — lors de procédures chirurgicales critiques.

Surveillance de la fréquence cardiaque et respiratoire

En collaboration avec le Stanford Research Institute (SRI), TE Connectivity a développé un fauteuil intelligent de démonstration capable de mesurer à la fois la fréquence cardiaque et respiratoire d'une personne simplement assise immobile. Le fauteuil intègre des éléments de film polymère piézoélectrique stratégiquement placés dans l'assise et le dossier. Ces éléments détectent à la fois les battements cardiaques et la respiration.

Le film polymère piézoélectrique 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 — propriété où les matériaux génèrent une charge électrique sous contrainte mécanique. Le film est très fin (28 µm), souple, et se conforme facilement pour détecter les charges de contrainte dans le coussin d'assise lorsqu'une personne s'assoit.

Pendant la respiration, le centre de gravité du corps bouge légèrement avec l'expansion et la contraction de la cage thoracique. Les éléments piézoélectriques du fauteuil détectent ces changements dynamiques et fournissent un signal exploitable. Pour les battements cardiaques, les capteurs utilisent la ballistocardiographie — détection d'une onde de pression normale à la peau produite par le pouls artériel. Les futures versions ajouteront des cellules de charge aux pieds du fauteuil pour peser l'occupant, et davantage de capteurs piézoélectriques pour détecter la taille physique. Avec les données de poids, un indice de masse corporelle (IMC) peut être calculé. Ce fauteuil devient un excellent outil pour les soins à domicile car aucun professionnel médical n'est nécessaire : un « check-up » miniature peut être effectué à tout moment — il suffit de s'asseoir tranquillement.

Auto-surveillance des équipements médicaux

Les machines médicales thérapeutiques et chirurgicales doivent fonctionner avec une très haute précision. Pour garantir leur bon fonctionnement, les concepteurs intègrent désormais des capteurs qui surveillent les fonctions critiques. Ces capteurs opèrent de deux façons : ils peuvent faire partie d'une boucle de rétroaction et contrôle mesurant un paramètre et ajustant l'équipement pour le maintenir dans les plages spécifiées, ou servir d'alarme de limite. Lorsqu'un paramètre sort des spécifications ou que la machine dysfonctionne, le capteur alerte l'opérateur et peut même arrêter la machine pour protéger le patient.

Les capteurs intégrés aux ventilateurs médicaux modernes en sont de bons exemples. Le diagramme de blocs montre le fonctionnement interne typique. Notez que tous les capteurs sauf un surveillent les fonctions du ventilateur ; le capteur CO₂ est le seul surveillant une fonction du patient.

Soins à domicile

Une tendance en médecine vise à déplacer les patients des hôpitaux vers les soins à domicile. Les patients sont plus confortables chez eux, bénéficient de l'attention de proches et récupèrent plus vite. 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 professionnels. Résultat : sécurité améliorée du patient et meilleurs résultats médicaux.

L'avenir

L'industrie médicale travaille à intégrer davantage de capteurs dans les machines et procédures utilisées par les médecins et leurs équipes. L'ajout de capteurs permet de surveiller les fonctions et performances des équipements, libérant les professionnels pour se concentrer sur le patient et obtenir de meilleurs résultats cliniques. Qu'ils surveillent un patient ou la machine le soignant, l'usage croissant des capteurs apportera des bénéfices significatifs au monde médical.

Cet article a été rédigé par Pete Smith, responsable senior ventes et support marketing, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Schaffhausen, Suisse / Berwyn, PA). Pour plus d'informations, contactez M. Smith à l'adresse protégée, ou visitez le site web.