스마트 센서로 의료 서비스 향상

지난 75년 동안 센서는 의학 발전에서 점점 더 중요한 역할을 했습니다.

체온, 혈압, 심박수, 호흡수 등 생체 신호를 모니터링하는 의료 센서가 점점 정교해지고 있습니다. 그러나 센서는 의료 장비의 생체 신호를 측정하는 데에도 유용합니다.

온도 모니터링

유리 전구 온도계는 체온을 측정하는 데 수십 년 동안 사용되었습니다. 1970년대에는 디지털 디스플레이가 있는 전자 버전으로 대체되었습니다. 이들은 최소 침습 장치였으며 환자의 신체 어딘가에 삽입해야 했습니다.

오늘날 가장 일반적인 장치는 작은 적외선 카메라처럼 작동하는 열전퇴 기반 비접촉 온도 센서입니다. 피부의 복사열 에너지를 측정하고 피부 온도에 비례하는 출력 신호를 제공합니다. 그들은 단 몇 초 만에 판독할 수 있으며 비접촉 상태이므로 박테리아와 바이러스의 확산을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

소형 TO-5 또는 TO-18 밀폐형 인클로저에 포장되어 있어 PC 기판에 쉽게 장착할 수 있습니다. 열전퇴는 실리콘 칩에 수십 또는 수백 개의 열전대 요소로 구성된 미니어처 배열입니다. 칩은 윗면의 접합부가 들어오는 IR 복사에 노출되는 반면 뒷면은 금속 헤더에 부착되어 주변 온도를 유지하도록 설계되었습니다. 열전대는 출력이 추가되도록 직렬로 연결됩니다. 신호의 합은 수십 밀리볼트의 진폭으로 사용 가능한 출력을 제공합니다.

일반적인 열전퇴의 단면도가 그림 2에 나와 있습니다. 칩은 적외선 파장에만 투명한 창을 통해 "보이도록" 장착됩니다. 이것은 가시광선의 간섭을 제거하는 데 도움이 됩니다. 가열된(또는 냉각된) 물체의 열 에너지가 창으로 들어오면 열전쌍 어레이에 충돌하여 상단 표면 온도를 주변 온도에서 변경합니다. 별도의 기준 온도 센서가 금속 헤더에 부착되어 주변 온도를 측정하므로 열전퇴와 기준 간의 차동 신호를 사용하여 측정 대상의 실제 온도를 계산할 수 있습니다. 일부 다운스트림 신호 처리 및 보정을 통해 ±1% – ±2% 범위의 정확도를 쉽게 얻을 수 있습니다.

동맥 혈압 모니터링

실용적인 혈압계는 1905년에 개발되어 오늘날까지 사용되고 있습니다. 최신 혈압계는 사용하기 쉽지만 광범위한 정확도 범위에서 간접 측정만 제공합니다. 숙련된 작업자의 손에 있는 수동 BP 커프는 거의 98%의 정확도를 달성할 수 있습니다. 전자 및 디지털 혈압 장치는 일반적으로 70%의 정확도를 달성합니다. 두 경우 모두 평균 판독값만 제공합니다.

최근에 개발된 의료 절차에서 수술 부위의 직접적인 혈압 판독이 외과의사에게 더 나은 데이터를 제공하고 환자에게 더 나은 결과를 제공한다는 것이 발견되었습니다. TE Connectivity의 센서 사업부는 최근 Intrasense 마이크로 혈압 센서를 출시했습니다. 가장 눈에 띄는 특징은 크기가 매우 작다는 것입니다. 전체 치수는 800 µm L x 270 µm W x 70 µm H입니다.

Intrasense는 임상 범위가 -300mmHg ~ +500mmHg인 MEMS 기반 절대 압력 센서입니다. 하프 브리지 설계는 MEMS 다이에서 압력이 가해짐에 따라 저항 값을 변경하는 두 개의 압저항 요소를 사용합니다. 신호는 300mm 와이어 리드의 근위 끝에 있는 증폭 및 보상 PC 보드로 전달됩니다.

센서는 매우 가는 카테터나 가이드와이어 끝에 위치할 수 있으며, 중요한 수술 절차 중에 심장 챔버, 두개간 동맥 또는 신장 내부와 같은 신체 내부의 원격 위치에서 사용할 수 있습니다.

심박수 및 호흡수 모니터링

TE Connectivity는 SRI(Stanford Research Institute)와 협력하여 가만히 앉아 있는 사람의 심박수와 호흡수를 모두 측정할 수 있는 데모 스마트 의자를 개발했습니다. 의자에는 시트와 등받이에 전략적으로 배치된 압전 폴리머 필름 요소가 있습니다. 이러한 감지 요소는 심장 박동과 호흡을 모두 감지합니다.

피에조 폴리머 필름은 폴리불화비닐리덴(PVDF)으로 만든 독특한 소재입니다. 특별한 제조 기술을 사용하면 이 필름을 압전 재료로 만들 수 있습니다. 이는 재료가 기계적 스트레스를 받을 때 전하를 생성하는 특성입니다. 필름은 매우 얇고(28μm) 유연하며 누군가가 앉았을 때 시트 쿠션 내부의 응력 부하에 쉽게 순응하고 감지합니다.

호흡하는 동안 늑골이 숨을 쉴 때마다 팽창하고 수축함에 따라 신체의 무게 중심이 약간 움직입니다. 의자의 피에조 소자는 이러한 동적 변화를 감지하고 전자 장치에 사용 가능한 신호를 제공합니다. 심장 박동의 경우 센서는 동맥 박동에 의해 생성되는 피부에 정상적인 압력파를 감지하는 심탄도조영술을 사용합니다. 이 데모의 향후 버전에서는 의자 발에 로드 셀을 추가하여 탑승자의 체중을 측정할 수 있습니다. 피에조 센서를 몇 개 더 추가하면 탑승자의 물리적 크기를 감지하는 데 도움이 됩니다. 체중 데이터와 함께 체질량 지수(BMI)를 계산할 수 있습니다. 이 의자는 숙련된 의료 전문가가 필요하지 않고 언제든지 미니 "검진"을 수행할 수 있기 때문에 가정 건강 관리 분야에 탁월한 도구가 됩니다. 조용히 앉아서 휴식을 취하기만 하면 됩니다.

의료 장비 자체 모니터링

치료 및 수술 의료 기계는 매우 높은 수준의 정확도로 작동해야 합니다. 기기가 제대로 작동하는지 확인하기 위해 설계자는 이제 중요한 기계 기능을 추적하는 센서를 추가하고 있습니다. 이러한 센서는 두 가지 방법 중 하나로 작동할 수 있습니다. 매개변수를 측정한 다음 지정된 범위 내에서 작동하도록 장비를 조정하는 피드백 및 제어 루프의 일부로 만들 수 있습니다. 센서는 한계 경보로도 사용할 수 있습니다. 매개변수가 사양을 벗어나거나 어떤 식으로든 기계가 오작동하는 경우 센서는 작업자에게 오류 상태를 알리고 환자의 안전을 보호하기 위해 기계를 종료할 수도 있습니다.

현대 의료용 인공호흡기에 내장된 센서가 이 기술의 좋은 예입니다. 그림 5의 블록 다이어그램은 일반적인 기계의 내부 작동을 보여줍니다. 센서 중 하나를 제외한 모든 센서가 인공호흡기의 기능을 모니터링하고 있습니다. CO ₂ 센서는 환자의 기능을 모니터링하는 유일한 것입니다.

가정 건강 관리

의료 분야에서는 환자를 병원에서 가정 의료 환경으로 옮기는 추세가 있습니다. 환자는 집에서 더 편안합니다. 그들은 친숙한 간병인의 관심을 받고 질병에서 더 빨리 회복합니다. 가정용 의료 장비에 내장된 센서는 기계를 안정적이고 작동하기 쉽게 만들어주며 의료 전문가의 지속적인 관심이 필요하지 않습니다. 그 결과 환자의 안전이 향상되고 의료 결과가 향상됩니다.

미래

의료 산업 전반에 걸쳐 더 많은 센서를 의사와 그 팀이 사용하는 기계 및 절차에 통합하는 작업이 진행 중입니다. 센서를 추가하여 장비의 기능과 성능을 주시할 수 있어 의료 전문가가 환자를 바라보고 더 ​​나은 임상 결과를 얻을 수 있습니다. 환자를 모니터링하는 데 사용되거나 환자를 치료하는 데 사용되는 의료 기계를 모니터링하는 데 사용되는 센서의 사용 증가는 의학 세계에 상당한 이점을 가져올 것입니다.

이 기사는 TE Connectivity Sensor Solutions — TES(Schaffhausen, Switzerland/Berwyn, PA) 영업 및 마케팅 지원 수석 관리자인 Pete Smith가 작성했습니다. 자세한 내용은 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호되고 있습니다.에서 Smith 씨에게 문의하십시오. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다. 또는 여기를 방문하십시오. .