Medisinsk sensorteknologi i hjertet av moderne helsetjenester

Når pasienter i dag blir lagt inn på et sykehus, blir de ikke bare stilt overfor leger og sykepleiere, men også en mengde avansert, medisinsk diagnose- og analyseutstyr. Flere enheter anvendes for å overvåke deres fysiologiske parametere – som temperatur, hjertefrekvens, blodtrykk, oksygennivå osv. I grensesnittet mellom pasientene og dette medisinske utstyret finnes et stort spekter av svært pålitelige og nøyaktige medisinske sensorer.

Vekstmarked
Industrianalytikerne i MarketsandMarkets spår at markedet for medisinske sensorer vil oppleve en sammensatt årlig vekst (CAGR) på 8,5% fra nå til 2022 – og vil nå $15 milliarder ved utløpet av denne perioden. Det er en rekke sammenfallende trender og teknologier som driver denne veksten. Disse inkluderer et økende trykk på leverandører av helsetjenester for å holde driftskostnadene nede, en aldrende global befolkning samt økende forventninger om fjernhelsetjenester blant befolkningen.

Flere anvendelser
Nærmere pasientene, på sensornivå, har de stadige fremskrittene innen MEMS, nanoteknologi, ultra-laveffekt sensorer, trådløs strømforsyning og nye kommunikasjonsprotokoller alle en betydelig innvirkning. I tillegg følger designere av medisinske apparater nøye med på løpende utvikling innen sensorfusjon og multifunksjonssensorer som sannsynligvis vil gi bredere anvendelsesmuligheter i fremtiden.  

Innhenting av livstegn
Énfunksjonssensorer som trykk-, temperatur- og luftstrømsensorer brukes i et stort spekter av medisinsk utstyr – fra infusjonspumper til de komplekse apparatene som brukes for magnetisk resonansavbildning (MRI), ultralyd, røntgen og CPAP (continuous positive airway pressure) maskiner.

Luftstrøm
Den nøyaktige MEMS-baserte flowsensoren Omron D6F-01A1-110 anvendes i puste- og ventilatorenheter, anestesiforsyningsmaskiner og oksygenkonsentratorer. Enheten gir luftstrømmålinger over et område fra 0 til 1liter/min med en nøyaktighet på ±3% over hele skalaen. Tilsvarende tilbyr Honeywells HAFBLF0400C4AX3 høypresisjons luftstrømsensor målinger over et 400SCCM område, og har en nøyaktighet på 2,5%. Helkalibrert og temperaturkompensert takket være en avansert innebygd ASIC, finner disse sensorene anvendelse i levering av anestesi og behandling av søvnapne, så vel som i  forstøvere.

Trykk
Blant de fremste medisinske trykksensorene er P162 fra Amphenol en kortmontert piezoresistiv komponent med evne til å måle trykk opp til 300mm Hg. Denne kompakte sensoren i en 1150μm x 725μm brikke er spesielt verdifull i applikasjoner som livmortrykk (intra-uterine pressure IUP).

Temperatur
I likhet med trykk- og luftstrømsensorer utgjør temperatursensorer et kritisk komponent i et bredt spekter av medisinsk utstyr. For eksempel har temperatursensoren 700-DS600U fra Maxim et driftsområde som dekker -40°C til 125°C og nøyaktighet på ±0.5°C. Den er bygget inn i infusjonspumper for levering av væsker, medisin eller næring til pasienter, så vel som i ulike typer bærbare instrumenter. Utvalget fra Maxim omfatter også MAX30205MTA+. Denne kortmonterte sensoren har en nøyaktighet på ±0.1°C over et driftstemperaturområde fra 0°C til 50°C. Den omdanner de analoge temperaturmålingene til digital form ved bruk av en høyoppløselig sigma-delta analog- til-digital omformer (ADC) og møter den kliniske termometerspesifikasjonen ASTM E1112 når den er loddet til det ferdige kretskortet. Sensoren er egnet for målinger av den menneskelige kroppstemperaturen i medisinsk sammenheng, så vel som i treningsutstyr. For kontinuerlig pasientovervåking i inkubatorer for premature spedbarn, tilbyr Amphenol sin MA300TA103C. Dette er en 9,52mm diameter biomedisinsk NTC termistor med et driftsområde fra 0°C til 50°C.

Kontaktfri måling
Kontaktfri måling av feber er en vanlig applikasjon for temperatursensorer som Melexis’ MLX90614ESF-BAA-000-TU. Dette er en kortmontert infrarød (IR) temperaturkomponent bygget opp av to brikker – en IR-sensitiv thermopildetektor og en signalbehandlings-ASIC. Flerbrikkesensorer ivaretar temperaturmålinger over et område fra -40°C til 85°C med en nøyaktighet på ±0.5 °C.

Sensorfusjon og flerfunksjonssensorer
Mens sensorer med ulik funksjonalitet som opererer i komplekse medisinske apparater nå har blitt vanlig, er det også økende mulighet til å implementere flere sensorer for å oppnå bedre resultater. Akkurat som den menneskelige hjernen integrerer en rekke sensoriske innganger - lukt, smak, berøring, syn, lyd - for å gi en helhetsopplevelse, kan teknologien kombinere forskjellige strømmer av inputdata sammen fra flere sensorer for å få til fusjon av sensorer.

Tre stadier
Sensorfusjon inkluderer typisk tre sekvensielle stadier - innhenting av data, sammensmelting av egenskaper og til sist samling av beslutninger. I det første stadiet samler flere sensorer forskjellige typer signaler som fysiske, kjemiske eller biologiske mengder eller bilder. I neste stadium gjennomgår de innsamlede signalene behandling for å trekke ut relevant informasjon og eliminere støyen. Til slutt utfører tredje trinn fusjon av data via en serie beslutningsalgoritmer.

Kombinasjoner
Et typisk eksempel på bruk av sensorfusjon er de 9-akse 9-SFA systemene som nå er i ferd med å implementeres. Disse er satt sammen av en kombinasjon av et 3D akselerometer, et 3D gyroskop, og et 3D magnetometer. Hver av disse tre sensorene gir en unik inngang, men med visse driftsmessige begrensninger. For eksempel vil akselerometeret gi lineær bevegelsesdeteksjon i x-, y-, og z-aksen, men er følsom for vibrasjon. På samme måte vil gyroskopet detektere høyde, rulling og vridning, men vil påvirkes av nullbiasdrift. Magnetometeret vil ivareta magnetisk feltdeteksjon i x-, y-, og z-akse, men vil påvirkes av elektromagnetisk interferens (EMI). Imidlertid, med datafusjon vil kombinasjonen av disse sensorfunksjonene resultere i omfattende sensordata som kan anvendes i et stort spekter av medisinske fagfelt.

Sensorfusjonskort
STMicroelectronics’ SensorTile (STEVAL-STLKT01V1) er et 13,5mm x 13,5mm nøkkelferdig sensorfusjonskort med et MEMS akselerometer, gyroskop, magnetometer, trykksensor og en MEMS mikrofon (se Figur 1). Denne elektronikken kommer med en STM32L4 32-bit ARM Cortex-M4 mikrokontroller. Langs samme linje er  NXP’s FXOS8700CQR1 et 3-akse lineært akselerometer og 3-akse magnetometer, integrert i en enkelt pakke. Med et valgbart I2C or punkt-til-punkt SPI seriegrensesnitt med 14-bit akselerometer og 16-bit magnetometer ADC oppløsning, gir sensoren dynamisk valgfri fullskala akselerasjonsområder på ±2g, ±4g og ±8g, samt et fast magnetisk måleområde på ±1200μT. Nøkkelapplikasjoner innen det medisinske området omfatter pasientovervåking, falldeteksjon og rehabilitering.

Multifunksjonssensorer
I motsetning til sensorfusjonsteknologi som kombinerer innganger fra flere sensorer i én utgang, kan medisinske enheter som anvender multifunksjonssensorer muliggjøre multi-parameter biometrisk- og helseovervåking med den samme sensoren. Denne flerlags, biometriske informasjonen som samles inn fra slike komponenter kan hjelpe pleiere og helsepersonell å overvåke pasientens helse i sanntid, samtidig som data som samles inn senere kan analyseres for medisinsk diagnose. For eksempel kan en bærbar integrert helseovervåkingsenhet som kan bæres på brystet, med et styrekort og en elektrokardiogram (ECG) sensor, en temperatursensor, et akselerometer, og en vibrasjonsmotor gi viktig informasjon til helsepersonellet.

Biopotensial
Multifunksjonssensoren Maxim MAX30001 måler en pasient sine biopotensialverdier, som stammer fra elektriske signaler generert i kroppen. Med en analog frontend (AFE) bestående av biopotensial- og bioimpedans (BioZ) sensorer, kan denne enheten utgjør en biopotensialkanal for bølgeformer, hjertefrekvens, og pacemaker kantdeteksjon, samt en enkelt bioimpedanskanal for å måle respirasjon. Mulige applikasjoner inkluderer bio-autentisering og ECG-on-demand applikasjoner, respirasjons- og hydreringsovervåking, hjertefrekvensmåling og arrhythmia-deteksjon.

Forsvinner fra radaren?
Når de får behandling på et sykehus gjennomgår pasientene vanligvis omfattende diagnostisk testing, men så snart de blir skrevet ut, forsvinner de fra legens radar. Dette representerer en alvorlig blindsone for helsevesenet. Nye teknologier, som de vi har tatt opp i denne artikkelen, vil muliggjøre 24x7 overvåking av pasientenes velvære.