Sensores inteligentes: transformando la atención médica moderna

Durante los últimos 75 años, los sensores han desempeñado un papel cada vez más significativo en el avance de la medicina.

Los sensores médicos para monitorizar los signos vitales de las personas, incluyendo temperatura, presión arterial, frecuencia cardíaca y frecuencia respiratoria, se han vuelto cada vez más sofisticados. Pero los sensores también son útiles para medir los signos vitales de los equipos médicos.

Monitorización de temperatura

Los termómetros de bulbo de vidrio se han utilizado durante décadas para tomar la temperatura corporal. En la década de 1970, fueron reemplazados por versiones electrónicas con pantallas digitales. Estos eran dispositivos mínimamente invasivos que debían insertarse en alguna parte del cuerpo del paciente.

Hoy en día, los dispositivos más comunes son sensores de temperatura sin contacto basados en termopilas, que funcionan como una pequeña cámara infrarroja. Miden la energía térmica radiada por la piel y proporcionan una señal de salida proporcional a la temperatura de la piel. Pueden tomar una lectura en solo unos segundos y, al ser sin contacto, ayudan a evitar la propagación de bacterias y virus.

Empaquetados en una pequeña carcasa herméticamente sellada TO-5 o TO-18, pueden montarse fácilmente en una placa de circuito impreso. La termopila es un array en miniatura de docenas o cientos de elementos termopar en un chip de silicio. El chip está diseñado para que las uniones en su parte superior estén expuestas a la radiación IR entrante mientras que el reverso está unido a un encabezado metálico y permanece a temperatura ambiente. Los termopares están conectados en serie para que sus salidas se sumen. La suma de las señales proporciona una salida utilizable con una amplitud en el rango de decenas de milivoltios.

Una vista en corte de una termopila típica se muestra en la Figura 2. El chip se monta de modo que "mira" a través de una ventana que es transparente solo a longitudes de onda infrarrojas. Esto ayuda a eliminar interferencias de la luz visible. A medida que la energía térmica de un objeto calentado (o enfriado) entra en la ventana, incide sobre el array de termopares y cambia la temperatura de su superficie superior desde la ambiente. Un sensor de temperatura de referencia separado está unido al encabezado metálico para medir la temperatura ambiente, de modo que la señal diferencial entre la termopila y la referencia puede usarse para calcular la temperatura real del objeto que se está midiendo. Con algún procesamiento de señal posterior y compensación, se pueden alcanzar fácilmente precisiones en el rango de ±1% – ±2%.

Monitorización de presión arterial arterial

Un manguito de presión arterial práctico se desarrolló en 1905 y se usa hasta hoy. El esfigmomanómetro moderno es fácil de usar, pero solo proporciona una medición indirecta con un amplio rango de precisión. Un manguito de BP manual en manos de un operador entrenado puede alcanzar precisiones de casi el 98%. Los dispositivos electrónicos y digitales de presión arterial suelen alcanzar una precisión del 70%. En ambos casos solo proporcionan una lectura promedio.

En procedimientos médicos desarrollados recientemente, se ha descubierto que una lectura directa de BP en el sitio de una cirugía proporciona mejores datos al cirujano y mejores resultados para el paciente. La Unidad de Negocios de Sensores de TE Connectivity ha presentado recientemente su sensor de presión arterial micro Intrasense. Su característica más llamativa es su tamaño extremadamente pequeño: las dimensiones totales son 800 µm L x 270 µm W x 70 µm H.

El Intrasense es un sensor de presión absoluto basado en MEMS con un rango clínico de -300 mmHg a +500 mmHg. El diseño de medio puente utiliza dos elementos piezorresistivos en el chip MEMS que cambian sus valores de resistencia a medida que se aplica presión. La señal se entrega a una placa de circuito impreso de amplificación y compensación en el extremo proximal de los cables de 300 mm.

El sensor puede colocarse en la punta de un catéter o guía muy fino, y luego usarse en ubicaciones remotas dentro del cuerpo, como cámaras cardíacas, arterias intracraneales o incluso dentro de los riñones, durante procedimientos quirúrgicos críticos.

Monitorización de frecuencia cardíaca y respiratoria

En colaboración con el Instituto de Investigación de Stanford (SRI), TE Connectivity ha desarrollado una silla inteligente de demostración que puede medir tanto la frecuencia cardíaca como la respiratoria de una persona que simplemente se sienta quieta en ella. La silla tiene elementos de película de polímero piezoeléctrico estratégicamente colocados en el asiento y el respaldo. Estos elementos de detección detectan tanto los latidos del corazón como la respiración.

La película de polímero piezoeléctrico es un material único hecho de fluoruro de polivinilideno (PVDF). Con técnicas de fabricación especiales, esta película puede hacerse piezoeléctrica, una propiedad donde los materiales generan una carga eléctrica cuando se someten a estrés mecánico. La película es muy delgada (28 µm), flexible y se adapta fácilmente y detecta las cargas de estrés dentro del cojín del asiento cuando alguien se sienta.

Durante la respiración, el centro de gravedad del cuerpo se mueve ligeramente a medida que la caja torácica se expande y contrae con cada respiración. Los elementos piezoeléctricos en la silla detectan estos cambios dinámicos y proporcionan una señal utilizable a la electrónica. Para los latidos del corazón, los sensores utilizan balistocardiografía, que es la detección de una onda de presión normal a la piel producida por el pulso arterial. Futuras versiones de esta demostración añadirán celdas de carga a las patas de la silla, para que el ocupante pueda pesarse. Añadir varios sensores piezoeléctricos más también ayudará a detectar el tamaño físico del ocupante. Junto con los datos de peso, se puede calcular un índice de masa corporal (IMC). Esta silla se convierte en una excelente herramienta para aplicaciones de atención médica domiciliaria porque no se necesita un profesional médico entrenado, y se puede realizar un "chequeo" miniatura en cualquier momento: solo siéntese tranquilamente y relájese.

Automonitorización de equipos médicos

Las máquinas médicas terapéuticas y quirúrgicas deben funcionar con niveles muy altos de precisión. Para garantizar que el instrumento funciona correctamente, los diseñadores ahora añaden sensores que rastrean funciones críticas de la máquina. Estos sensores pueden operar de dos maneras. Pueden formar parte de un bucle de retroalimentación y control que mide un parámetro y luego hace ajustes al equipo para mantenerlo operando dentro de rangos especificados. El sensor también puede usarse como alarma de límite. Cuando un parámetro sale de especificación o la máquina falla de alguna manera, el sensor alerta al operador sobre la condición de fallo e incluso puede apagar la máquina para proteger la seguridad del paciente.

Los sensores integrados en los ventiladores médicos modernos son buenos ejemplos de esta técnica. El diagrama de bloques en la Figura 5 muestra el funcionamiento interno de una máquina típica. Observe que todos los sensores menos uno están monitoreando las funciones del ventilador. El sensor de CO₂ es el único que monitorea una función del paciente.

Atención médica domiciliaria

Existe una tendencia en la medicina a trasladar a los pacientes de los hospitales a entornos de atención médica domiciliaria. Los pacientes están más cómodos en casa. Reciben atención de cuidadores familiares y se recuperan más rápidamente de las dolencias. Los sensores integrados en los equipos de atención médica domiciliaria hacen que las máquinas sean fiables, simples de operar y eliminan la necesidad de atención constante de profesionales médicos. Los resultados son una mayor seguridad del paciente y mejores resultados médicos.

El futuro

Se está trabajando en toda la industria médica para incorporar más sensores en las máquinas y procedimientos utilizados por médicos y sus equipos. La adición de sensores ayuda a vigilar las funciones y el rendimiento del equipo, lo que permite a los profesionales médicos centrar su atención en el paciente y crear mejores resultados clínicos. Ya sea que se utilicen para monitorizar a un paciente o para monitorizar la máquina médica utilizada para tratar pacientes, el uso creciente de sensores traerá beneficios significativos al mundo de la medicina.

Este artículo fue escrito por Pete Smith, Gerente Senior de Ventas y Soporte de Marketing, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Schaffhausen, Suiza / Berwyn, PA). Para más información, contacte al Sr. Smith en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita tener JavaScript habilitado para verla., o visite aquí.