Consideraciones para el diseño de tecnología de sensores médicos

Uno de los primeros conceptos esenciales a considerar es la capacidad de supervivencia, o solidez, de estos dispositivos. Los elementos de detección que miden propiedades como la temperatura, la vibración y la posición son relativamente pequeños y delicados. Por ejemplo, un sensor de termopila está compuesto por una matriz precisa de termistores en miniatura para medir la temperatura dentro de su campo de visión. Estos sensores están diseñados de manera tal que protegen el elemento sensor de entornos externos. Esto se vuelve crucial en aplicaciones como equipos de ventilación, donde una termopila está diseñada para medir la temperatura de la superficie y los sensores de flujo de aire masivo miden la temperatura del flujo de aire para compensar los cambios de condiciones y proporcionar una medición de temperatura de referencia para otros sensores incorporados. Encapsulado en una carcasa de acero inoxidable, el elemento sensor está sellado herméticamente para brindar protección contra condiciones externas como la humedad y otros factores agresivos.

Del mismo modo, los sensores se pueden empaquetar dentro de un conjunto a través de la medición sin contacto para la detección de posiciones. La demanda de sensores de posición magnetorresistivos anisotrópicos (AMR) ha aumentado con su capacidad de empaquetarse y sellarse dentro de un dispositivo mientras se mide una escala magnética externa al conjunto. Las articulaciones protésicas son un ejemplo interesante. Dentro de esta aplicación, los sensores AMR pueden medir la rotación de una articulación, como una rodilla o un tobillo, para compensar el movimiento y crear un patrón de marcha más natural. Dado que el sensor está empaquetado dentro del conjunto de rodilla, lo protege de condiciones ambientales como el agua, los impactos y el desgaste general. Por lo tanto, permite un movimiento de rotación independiente entre el sensor y la extremidad en movimiento sin contacto físico.

Otra tendencia importante a considerar en la industria de sensores es la miniaturización, un esfuerzo para limitar el “espacio” requerido de un sensor dentro de un producto. En 2018, TE Connectivity diseñó y llevó a cabo una encuesta para ingenieros sobre una variedad de temas relacionados con el diseño de la Internet de las cosas. Se recibieron respuestas de 180 ingenieros con un interés manifiesto en la Internet de las cosas para aplicaciones de consumo, uso industrial y sector automotriz. La encuesta exploró las aplicaciones de la Internet de las cosas y los métodos de diseño, y luego identificó los desafíos comunes que existen en este espacio. Sobre el tema de la miniaturización, el ochenta y cinco por ciento de los participantes de la encuesta estuvieron abrumadoramente de acuerdo en que esta debería ser un área de enfoque. Al mismo tiempo, el quince porciento cree que la miniaturización de sensores ya llegó tan lejos como se necesita. La miniaturización de los sensores no es exclusiva del mercado médico, pero está aumentando en importancia.

Con el aumento de los dispositivos ponibles y conectados, la capacidad de crear diseños ligeros y compactos se hace necesaria. A pesar de que los relojes, los monitores de frecuencia cardíaca instalados en el pecho y las joyas monitorean los factores de salud con una precisión variable, proporcionan más información que la que estaba disponible anteriormente. A medida que crece el enfoque del consumidor en una vida saludable, el impulso de tener datos más precisos aumenta la demanda de sensores y la necesidad de colocar más sensores en el mismo tamaño de paquete. 

Más allá de los dispositivos ponibles de vida saludable, los sensores en miniatura se pueden integrar en prótesis robóticas electrónicas. La fuerza y el control de los dedos es una habilidad meticulosa que requiere mediciones precisas. Al considerar la medición de la fuerza, la diferencia entre sostener una uva y apretarla puede ser significativa; por lo tanto, se necesitan datos precisos para que los dedos realicen tareas aparentemente simples. La aplicación de sensores magnéticos en las articulaciones de los dedos en el punto de rotación y las galgas extensométricas permiten el control y el movimiento precisos sin contacto necesarios.
 

Una mayor precisión es un objetivo clave en la elección de un sensor para aplicaciones médicas, lo que hace que los sensores digitales sean una opción más deseable debido a las salidas más precisas y robustas. Por ejemplo, los sensores digitales de temperatura de termopila pueden ofrecer lecturas de alta precisión de ±1 °C de rangos de temperatura de 0 °C a 100 °C. Cuando se personalizan para adaptarse a una gama más amplia de aplicaciones para entornos intensamente hostiles, estos sensores pueden ofrecer una alta precisión de ±4,5 °C a 300 °C. Si bien los productos analógicos suelen ser menos costosos, los sensores digitales, en virtud de su diseño y configuración, no requieren la compra de componentes eléctricos adicionales, incluidos amplificadores de bajo desplazamiento/bajo ruido y filtros asociados. Ciertas tecnologías de sensores, cuando se empaquetan con salidas digitales, pueden ofrecer múltiples señales de salida desde el mismo dispositivo, lo que elimina así la plataforma general y el espacio real de la placa de circuito.

En la misma encuesta mencionada anteriormente, el veinticinco por ciento citó la necesidad de un menor consumo de corriente en los dispositivos de la Internet de las cosas. Si se logra, esto permitiría a las redes reducir el consumo de energía en general, lo que resultaría en una disminución de la tensión en la transmisión de datos. Los sensores se pueden diseñar para dispositivos médicos más basados en el consumidor mediante la adopción del procesamiento de señales digitales. Esto permitiría un menor consumo de corriente, la capacidad de “suspensión” mientras no está en uso y operaciones con voltajes de suministro más bajos que permitirían el uso de baterías más pequeñas incorporadas.
 

El procesamiento de señales digitales también cumple una función en la escalabilidad, que es otra consideración fundamental. Las señales de salida analógicas tradicionales requieren cierto nivel de conversión para que el sistema electrónico moderno lea y procese los datos. Sin embargo, el procesamiento de señales digitales incorporado reduce el tiempo de calibración durante la fabricación del sistema o dispositivo, lo que conduce a una mayor precisión. Dado que el equipo de calibración del fabricante del sensor está diseñado para probar y calificar el sensor, se requiere menos inversión por parte del OEM para duplicar los requisitos del sistema para administrar el procesamiento de la señal de analógica a digital. Además, los fabricantes de sensores pueden personalizar las herramientas mecánicas, la programación de sensores y la calibración según los requisitos del cliente para lograr diseños listos para usarse.

Según la Asociación Estadounidense de Hospitales, más de 5000 hospitales registrados en los Estados Unidos experimentaron más de 35 millones de admisiones en 2017. Si bien la industria médica en los Estados Unidos se está orientando a reducir las visitas al hospital, las admisiones y los tiempos de admisión, la demanda para apoyar al paciente y la necesidad de equipos de monitoreo siguen siendo constantes. Por lo tanto, el diseño de sensores para una producción escalable y automatizada se ha convertido en una opción más deseada en el sector médico para mantenerse al día con la demanda.

La tecnología de montaje en superficie de sensores permite a los ingenieros de diseño integrar el sensor en el sistema electrónico del conjunto. Los sensores ópticos ofrecen diseños tradicionales de marcos de plomo que se sueldan manualmente en conjuntos y ahora se empaquetan para diseños de SMT. La estructura soldable por reflujo permite a los ingenieros diseñar sensores en conjuntos que se integran a través de máquinas de recolección y colocación, lo que aumenta la calidad general y reduce el tiempo y el costo de fabricación. Con la flexibilidad de instalación vertical u horizontal, los sensores AMR también están diseñados para paquetes SMT. Dependiendo del diseño del sistema, esto puede desempeñar un papel importante para garantizar que el sensor pueda encajar dentro del sistema y dar más flexibilidad en la colocación del imán.