Les systèmes électroniques intégrés aux sondes, appareils et équipements médicaux reposent sur les signaux de capteurs pour les activités de surveillance, la précision du diagnostic et la délivrance des traitements. Concevoir des capteurs qui respectent des normes très précises répondant aux exigences des applications médicales, en conformité avec les conditions émises par les autorités compétentes (du type CE et FDA), permet de créer des systèmes innovants qui transforment les concepts initiaux en des créations connectées intelligentes.
Même si la conception d'un capteur pour une application critique peut sembler complexe, la sélection d'un capteur adéquat peut être une tâche simple si l'on comprend clairement l'objectif et le fonctionnement de l'application, ainsi que les paramètres devant être surveillés. Par exemple, de manière générale, les environnements médicaux incorporent des exigences produit spécifiques à l'application ainsi que standards et personnalisées devant être respectées à toutes les étapes de la conception et de la fabrication. En outre, une même application peut utiliser plusieurs technologies de capteurs.
Les concepteurs peuvent mettre en œuvre des solutions de capteurs efficaces dès lors qu'ils comprennent comment une technologie de capteur spécifique peut être appliquée à un environnement médical unique.
Surveillance précise des patients
Les avancées médicales récentes illustrent bien la manière dont les capteurs sont source de progression, permettant de mieux comprendre les pathologies et d'améliorer le soin et le bien-être des patients.
Les capteurs optiques sont utilisés dans les applications médicales pour lesquelles il est nécessaire de sélectionner une crête de longueur d'onde, par exemple pour l'oxymétrie de pouls (SpO2), et peuvent être incorporés dans des ensembles de capteurs complets pour les applications de surveillance de l'oxymétrie de pouls. (Illustration 1) TE Connectivity (TE) fournit des capteurs optiques dotés d'émetteurs double DEL avec deux longueurs d'onde et de photodétecteurs bi-spectraux, ainsi qu'une plate-forme de capteurs SpO2 qui comprend des doigtiers réutilisables, des bottes souples en silicone et toute une gamme de capteurs jetables.
Le film fluoropolymère piézoélectrique est une technologie de capteurs polyvalente dotée d'atouts uniques, qui produit une tension ou une charge proportionnelle à la contrainte dynamique. Le film s'adapte bien à différentes conceptions, configurations et applications personnalisées. Dans le cadre des applications médicales, un capteur basé sur un film piézoélectrique peut être placé sous le nez ou dans une sangle au niveau de la poitrine, afin de détecter le rythme respiratoire des patients. En outre, de par son profil mince, ce type de capteur basé sur un film est parfaitement adapté aux applications médicales portables.
Les capteurs numériques de température ainsi que d'humidité et d'humidité relative de TE comportent une cellule capacitive unique. Ces dispositifs à faible puissance s'adaptent bien aux applications OEM limitées par des contraintes de coûts et de manque d'espace, notamment aux applications médicales. D'ailleurs, les capteurs d'humidité permettent de contrôler de différentes manières la qualité de l'air des applications respiratoires et peuvent être utilisés sous différents formats et pas seulement de manière autonome.
Les avancées dans l'utilisation de la céramique pour les thermistances CTN (coefficient de température négatif) améliorent de plus en plus la précision des applications autonomes de surveillance de la température des patients, tout en optimisant le confort des patients grâce à des méthodes de captage de la température moins invasives. Ces avancées permettent également d'employer des méthodes d'emballage occupant de moins en moins de place, ce qui incite à les utiliser dans les nouvelles applications innovantes de contrôle de la température des patients.
En tant que modules PCB (circuits imprimés), les transducteurs d'humidité fournissent une sortie (numérique) de fréquence et peuvent être calibrés de manière à garantir un niveau de précision de l'ordre de 3 à 5 % pour une humidité relative entre 10 et 95 %. Ils peuvent également être conditionnés de façon à générer une sortie (analogique) de tension et conçus de manière à garantir un niveau de précision de l'ordre de 2 % pour une humidité relative entre 10 et 95 % afin d'être utilisés dans des applications de contrôle de la qualité de l'air dans lesquelles il est nécessaire de compenser les niveaux d'humidité.
Utilisation dans le cadre des soins respiratoires
Des capteurs de basse pression installés à l'intérieur du masque d'un respirateur ou d'un ventilateur permettent de mesurer en continu la pression de l'air ainsi que de déterminer et d'assister le cycle d'inspiration et d'expiration.
Le boîtier du masque comprend également des capteurs de température à thermopile permettant de surveiller les niveaux de CO2 dans le profil d'expiration du patient, et des capteurs de température cutanée sont placés sur le corps ou le visage du patient afin de surveiller la température du corps. Les capteurs de température placés dans le système respiratoire permettent de mesurer et de contrôler la température de l'air qui est en train d'être fourni au patient.
Des capteurs photo-optiques SpO2 reliés directement au ventilateur ou au respirateur permettent de détecter la fréquence cardiaque ainsi que le taux de saturation de l'oxygène dans le sang.
Des capteurs de position magnétorésistants placés sur le réservoir permettent de surveiller le niveau d'eau qui reste afin de détecter des niveaux trop bas. Des composants, ensembles ou modules à circuit imprimé (PCB) de captage de l'humidité sont incorporés dans le réservoir d'eau ou le moniteur du système de chauffage afin de contrôler les niveaux d'humidité et d'assurer le confort respiratoire.
Dans les appareils de ventilation en pression positive continue (CPAP – Continuous positive airway pressure), des capteurs de basse pression sont placés à l'intérieur ou à l'extérieur du masque afin de surveiller en continu la pression de l'air. Lorsqu'ils sont placés à l'intérieur de l'appareil, ils permettent de mesurer la fréquence d'inspiration et d'expiration.
Les composants, ensembles ou modules à circuit imprimé (PCB) utilisés dans les respirateurs et ventilateurs permettent également de contrôler les niveaux d'humidité des appareils CPAP. Dans ce cas, les capteurs sont intégrés au masque respiratoire ou au moniteur de génération d'humidité.
Les capteurs fournissent également des données critiques pour l'étude de l'apnée du sommeil. Les patchs cutanés de captage de la température CTN placés sur le front ou les membres du corps permettent de mesurer la température du corps, tandis que des capteurs photo-optiques SpO2 placés à l'intérieur d'un oxymètre de pouls conçu en tant que doigtier portable permettent de mesurer le pouls et le taux de saturation de l'oxygène dans le sang.
Des feuilles de film piézoélectrique peuvent être utilisées en tant que patch sur le nez afin de détecter toute vibration du type ronflement ou placées sous le nez afin de contrôler le profil respiratoire. Lorsqu'il est placé sur le front ou les membres du corps, ce film permet de détecter les mouvements du corps et les troubles du sommeil.
Lors de l'administration de l'anesthésie, un film piézoélectrique est utilisé en tant que capteur de transmission neuro-musculaire (NMT) afin de surveiller la profondeur de l'anesthésie, contribuant ainsi à une meilleure prise en charge des patients.
Ces quelques exemples ne sont qu'un bref aperçu de l'impact de l'utilisation de capteurs dans des applications médicales innovantes sur le soin, le suivi et la qualité de vie des patients. La liste ci-dessous répertorie d'autres technologies de captage pouvant être utilisées de manière efficace pour surveiller différentes propriétés physiques dans de nombreuses applications médicales.
Pour en savoir plus sur les capteurs TE spécifiques utilisés dans des applications médicales, accédez à la page https://www.arrow.com/manufacturers/te-connectivity
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TYPES DE TECHNOLOGIES DE CAPTEURS UTILISÉES DANS LES APPLICATIONS MÉDICALES
Pression
• Puce en silicium piézorésistante basée sur des systèmes microélectromécaniques (MEMS)
• Jauge de déformation au silicium « microfused »
• Capsules de pression isolées du support
• Jauge de déformation en aluminium
• Jauge de déformation miniature basée sur des systèmes microélectromécaniques (MEMS)
Température
• Thermistances CTN
• Thermocouples miniatures
• Thermopiles sans contact (à infrarouges passifs)
• Résistance en platine en pellicule mince
Détecteur de température à résistance (RTD)
• Technologie à puce de mesure de la température numérique
Humidité
• Solution propriétaire capacitive
• Combinaison de modules de mesure de l'humidité et de la température
Photo-optique
• Double longueur d'onde
• Capteurs à photodiode
• Combinaison de modules d'émission et de captage
Force et charge
• Puce en silicium piézorésistante basée sur des systèmes microélectromécaniques (MEMS)
• Jauge de déformation au silicium « microfused »
• Jauge de déformation en aluminium
Piézoélectrique
• Film polymère piézoélectrique
• Céramique piézoélectrique
Niveau du liquide
• Commutateur à lames souples à point unique
• Ultrasonique à point unique
• Ultrasonique continu
• Invasif
• Non invasif
Position
• LVDT linéaire
• RVDT rotatoire
• Câble d'extension (potentiomètre câblé)
• Magnétorésistant linéaire
• Magnétorésistant rotatoire
• Capteurs d'inclinaison et d'angle
Vibration et accélération
• Accéléromètre basé sur des systèmes microélectromécaniques (MEMS)
• Accéléromètre basé sur un système piézoélectrique
• Configurations à axe unique, biaxiales et triaxiales