Informe técnico sobre aplicaciones de bombas médicas

Estas tendencias han aumentado la demanda general de sensores en productos y dispositivos médicos, pero también están promoviendo que esos sensores sean más pequeños, más rápidos, más precisos y más confiables. Y para la mayoría de los fabricantes, los presupuestos son limitados, lo que significa que los componentes de bajo costo son ideales. Por lo tanto, las innovaciones de sensores que llegan al mercado deben presentar factores de forma más pequeños mientras se mantiene una alta funcionalidad y asequibilidad.

Los sensores desempeñan un papel fundamental en una amplia gama de funciones médicas, incluidas diversas aplicaciones médicas de bombas y flujo. Una bomba de infusión es un tipo de dispositivo de bomba médica que suministra líquidos, como nutrientes y medicamentos, en el cuerpo de un paciente en volúmenes prescritos precisos y exactos durante un tiempo específico. Estos tipos de bombas médicas se utilizan ampliamente en entornos clínicos como hospitales, hogares de ancianos y en el hogar, ya que ofrecen ventajas significativas frente a la administración manual de líquidos. Estas ventajas incluyen la capacidad de administrar dosis muy pequeñas, confirmar volúmenes programados y reducir la carga de trabajo de los empleados debido a la administración automatizada.

Debido a que las bombas de infusión se usan con frecuencia para administrar líquidos esenciales, incluidos los medicamentos de alto riesgo, las fallas de la bomba pueden tener implicaciones significativas para la seguridad del paciente. Muchas bombas de infusión vienen con características de seguridad, como alarmas u otras alertas del operador que están pensadas para activarse en caso de que surja un problema. Por ejemplo, algunas bombas están diseñadas para alertar a los pacientes y al personal cuando se detecta aire u otra obstrucción en el tubo. Algunas bombas de infusión más nuevas, a menudo llamadas bombas inteligentes, están diseñadas para alertar al usuario cuando existe un riesgo de una interacción adversa con el medicamento, o cuando el usuario establece los parámetros de la bomba fuera de los límites de seguridad especificados.

Dentro de las aplicaciones de las bombas tradicionales e inteligentes, los sensores son componentes clave en el control y el monitoreo de las bombas de infusión. Están diseñados para proporcionar detección de oclusión, monitorear el flujo de líquidos, proporcionar retroalimentación para el control de motores y, en algunos casos, detectar la temperatura del líquido intravenoso que se administra. La siguiente figura ilustra las ubicaciones potenciales de los sensores usados en una bomba de infusión típica.

Hay muchas variables de bomba que deben considerarse dentro de las aplicaciones de bombas médicas. Estas variables incluyen el volumen de líquido, pero también el modo de infusión, que puede ser continuo, intermitente o controlado por el paciente. Para garantizar un correcto flujo del líquido, se integran sensores de fuerza en la bomba para detectar posibles oclusiones. El sensor de fuerza generalmente se instala debajo de una parte del tubo que transporta el fluido intravenoso. Cuando se produce una obstrucción en una bomba, el tubo se expande. Un sensor de fuerza colocado donde el tubo se encuentra con la carcasa puede detectar esta expansión mediante el monitoreo de la fuerza aplicada al sensor por una sección del tubo. El sensor puede activar una alarma para alertar al usuario si se detecta esta expansión. Los mismos principios de funcionamiento pueden aplicarse en bombas de infusión y dispositivos diseñados para ser operados por profesionales médicos en entornos como hospitales, hospicios y atención domiciliaria. Expansión mediante la monitorización de la fuerza aplicada al sensor por una sección del tubo. El sensor puede activar una alarma para alertar al usuario si se detecta esta expansión. Los mismos principios de funcionamiento pueden aplicarse en bombas de infusión y dispositivos diseñados para ser operados por profesionales médicos en entornos como hospitales, hospicios y atención domiciliaria.

Aunque los sensores médicos para uso externo, como en las bombas de infusión, tienden a plantear un desafío tecnológico menor que los sensores implantables, aún deben cumplir con requisitos estrictos. Incluso a medida que los dispositivos se vuelven más pequeños para una mayor portabilidad, los usuarios aún esperan que estos sistemas conserven la funcionalidad y la precisión. Para diseñar dispositivos médicos pequeños pero precisos, los componentes, como los sensores, también deben ofrecer características sólidas a bajo costo. Además, la confiabilidad es esencial para la mayoría de las aplicaciones de bombas médicas, especialmente cuando se infunden líquidos esenciales.

Un sensor de fuerza es un sensor cuyas propiedades cambian cuando se aplica fuerza, presión o tensión mecánica. Se puede utilizar una gama de tecnologías en el diseño y la fabricación de un sensor de fuerza. TE Connectivity (TE) diseña y fabrica sensores de fuerza para aplicaciones que requieren un alto rendimiento o un paquete único, incluidos dispositivos y equipos médicos. Los sensores de fuerza de TE se basan en nuestra tecnología de galgas extensométricas de silicio piezorresistivo (Microfused) que combinan durabilidad y estabilidad a largo plazo en paquetes de muy bajo costo. Los sensores de fuerza (también conocidos como “celdas de carga”) se utilizan en una variedad de aplicaciones médicas, incluidas las bombas de infusión. Otras aplicaciones en el mercado médico incluyen fisioterapia, camas de hospital (peso del paciente), grapadoras quirúrgicas, máquinas de asistencia de reanimación cardiopulmonar (RCP) para tratamiento médico de emergencia, así como para el monitoreo del tanque de oxígeno.

El efecto piezorresistivo es ampliamente utilizado en la tecnología de sensores. El efecto piezorresistivo es un cambio en la resistividad eléctrica de un semiconductor o metal cuando se aplica una tensión mecánica. Un sensor de fuerza piezorresistiva contiene varias obleas delgadas de silicio incrustadas entre las superficies protectoras. La superficie está conectada a un puente de Wheatstone, un dispositivo para detectar pequeñas diferencias en la resistencia. El puente de Wheatstone pasa una pequeña cantidad de corriente a través del sensor. Cuando la resistencia cambia, la corriente que pasa a través del sensor también cambia. El puente de Wheatstone detecta este cambio e informa un cambio en la presión.

La tecnología de fabricación Microfused de TE se basa en el micromecanizado de galgas extensométricas piezorresistivas de silicio y su fusión en un proceso de unión de vidrio a alta temperatura a un sustrato de acero inoxidable de alto rendimiento. Mediante el uso de este proceso maduro y confiable se han entregado millones de sensores de fuerza y es una tecnología comprobada en una amplia variedad de aplicaciones médicas. La tecnología Microfused elimina los epoxis orgánicos sensibles al desgaste que se utilizan en los diseños tradicionales de las celdas de carga, lo que proporciona una excelente durabilidad a largo plazo y estabilidad cero. Las celdas miden la fuerza directamente y, por lo tanto, no presentan problemas de fatiga de moldes de plomo comunes en los diseños de la competencia,

que utilizan una cápsula de presión integrada dentro de una cavidad llena de gel de silicona. Al funcionar con tensiones muy bajas, la tecnología Microfused proporciona una vida útil de ciclo esencialmente ilimitada, una resolución superior, una respuesta de alta frecuencia y altas capacidades de sobrecarga. En general, los sensores de fuerza Microfused han demostrado su solidez y confiabilidad en una amplia gama de dispositivos médicos.

Se brindan algunos ejemplos de productos para ilustrar los principios de funcionamiento: en el sensor de fuerza FS20, un colector de carga en forma de disco en la parte superior de la celda está expuesto a la tensión mecánica causada por la presión del fluido en la bomba. El colector de carga metálica actúa como un punto de trabajo. Se desvía unos 0,05 milímetros a carga nominal. Se coloca una galga extensométrica piezorresistiva de silicio debajo del colector de carga. Cuando la galga extensométrica está expuesta a tensiones por la flexión elástica del colector de carga, la resistencia de la estructura de la galga extensométrica cambia. Este cambio se procesa en un circuito integrado (IC) y se alimenta hacia delante al cable de salida. El cero y el lapso de la celda se normalizan para garantizar la intercambiabilidad del sensor. Los sensores de fuerza en miniatura del tipo FS20 ofrecen una combinación particularmente atractiva de características electromecánicas y económicas.

La celda FS20 que cumple con RoHS está disponible en dos versiones con hasta 750 gramos de fuerza o con un rango de fuerza de hasta 1500 g. Una salida de alto nivel, bajo nivel de ruido, bajos errores descentrados y alta capacidad de sobrecarga (hasta 2,5 veces más) en combinación con resultados rápidos y precisos (± 1 % de lapso) más una compensación de temperatura para un rango entre 0 °C y 50° C hacen de la celda una excelente opción para el monitoreo de bombas. Como la deflexión del colector de carga es muy pequeña, la celda tiene una vida útil de ciclo esencialmente ilimitada. El diseño compacto de la celda (25,1 mm x 17,27 mm x 8,26 mm) permite su uso en una amplia gama de aplicaciones con limitaciones de espacio, como bombas de infusión y otras aplicaciones médicas portátiles. 

El sensor de fuerza en miniatura FC22 se basa en el mismo principio de funcionamiento; sin embargo, el área de trabajo es más pequeña para facilitar la medición de una carga puntual. El factor de forma de la celda y la conexión del cable ofrecen diferentes opciones de integración. La celda FC22 también está disponible en una versión de puente de milivoltios.

El sensor de compresión FX1901 que cumple con RoHS se utiliza, por ejemplo, en fisioterapia para medir el peso del paciente (básculas) y en equipos quiroprácticos y de ejercicio. Hay cinco rangos de medición que abarcan cargas máximas desde 10 lbf hasta 200 lbf (aproximadamente 5 kg a 100 kg). La señal de salida analógica relativa al voltaje de entrada es de 20 mV/V (20 mV de salida por cada 1 V de voltaje de entrada). Esta celda de carga con una precisión del 1 % se basa en un diseño rentable.

El modelo FX29 es el producto más innovador de celdas de carga de TE y ofrece varias características nuevas y mejoradas y, debido a muchos cambios de diseño, estará disponible a un costo significativamente menor que los modelos anteriores de celdas de carga. El modelo FX29 es una celda de carga de compresión en miniatura diseñada para aplicaciones de medición de fuerza integradas. El sensor incorpora la tecnología Microfused de alta confiabilidad para los elementos de fuerza y se ofrece en rangos de 10 lbf a 200 lbf. El FX29 ha ampliado los tipos de salida disponibles e incluye opciones de salida en mV, amplificada y digital. La incorporación de circuitos digitales proporciona una mayor precisión general del sistema y los bajos rangos de medición disponibles permiten su uso en una gama más amplia de aplicaciones. La alta protección de sobrecarga protege el sensor de sobretensiones y picos en el sistema y la baja deflexión con una alta sensibilidad de salida significa menos tensión en el diafragma de detección, lo que hace que el FX29 sea ideal para aplicaciones médicas exigentes.

La detección de burbujas es fundamental en aplicaciones como bombas de infusión, hemodiálisis y monitoreo del flujo sanguíneo donde la interrupción en el rendimiento puede ser potencialmente mortal. Los detectores de burbujas ultrasónicos son detectores acústicos sin contacto de burbujas y líquidos que se utilizan para identificar burbujas de aire y líquidos en los tubos de infusión. Son ampliamente utilizados en aplicaciones como la transferencia de líquidos y la infusión en bombas médicas, productos farmacéuticos, investigaciones industriales y científicas.

El sensor de detección de burbujas de aire AD-101 de TE para el monitoreo continuo no invasivo de fluidos para la detección de burbujas de aire utiliza una tecnología ultrasónica para identificar positivamente la presencia de una interrupción en el flujo de cualquier tipo de líquido. Con un autodiagnóstico continuo y flexibilidad en el empaquetado, estos sensores permiten una detección de burbujas confiable y precisa para aplicaciones esenciales como las bombas de infusión.

Como se muestra a continuación, un detector de burbujas de aire como el AD-101 de TE, está diseñado para instalarse directamente en el tubo que se utiliza para infundir el líquido en el paciente. El detector de burbujas contiene un transductor piezoeléctrico incorporado que emite una señal ultrasónica de ráfaga de tono. La señal pasa a través del tubo y su contenido. Un receptor piezoeléctrico escucha la señal ultrasónica. Los líquidos transmiten ultrasonido de manera eficaz, por lo que una señal fuerte pasa cuando solo hay líquido presente en el tubo. Las burbujas de aire no transmiten ondas de ultrasonido de manera eficaz, por lo que la señal se debilita por cualquier burbuja en el líquido. Un circuito interno mide la amplitud de la señal del receptor y proporciona la salida adecuada. El detector ultrasónico de burbujas de aire no es invasivo y no tiene contacto directo con el líquido. El AD-101 puede gestionar tamaños de tubo de 3 mm a 10 mm y puede diseñarse a medida para adaptarse a tamaños de tubo inusuales. El tiempo de respuesta es inferior a 2 ms, proporciona un nivel lógico de salida TTL de 3,3 V y tiene un LED integrado que proporciona una indicación visual si se detecta una burbuja.

El AD-101 también tiene una capacidad de autodiagnóstico incorporada que monitorea continuamente el funcionamiento del sensor. El sensor se puede operar en cualquier posición con líquido que fluye hacia arriba, hacia abajo o en cualquier ángulo. La gravedad no provoca ningún efecto en la capacidad de detección.

Los diseños de las bombas de infusión son cada vez más sofisticados y se están agregando características y diagnósticos adicionales. Esto requerirá el uso de sensores adicionales, así como sensores con un rendimiento mejorado. Otras dos áreas en bombas médicas donde se han utilizado sensores incluyen sensores de posición para la retroalimentación y el diagnóstico del motor y sensores de temperatura para el monitoreo y el control de líquidos de infusión.

Los sensores de posición magnetorresistivos anisotrópicos (AMR) son dispositivos precisos y sin contacto que miden los cambios en el ángulo de un campo magnético observado por el sensor. Los sensores magnéticos de TE ofrecen mediciones de posición robustas sin contacto en entornos hostiles. Por ejemplo, las características únicas del efecto AMR permiten la medición de desplazamientos submicrométricos en codificadores lineales de precisión. La tecnología de AMR también se utiliza con éxito para la detección de la presencia, como la detección del punto final en cilindros neumáticos. Esta tecnología AMR es una tecnología robusta y de bajo costo para monitorear el movimiento lineal o rotativo y permite una retroalimentación de posición precisa para una gama de motores que impulsan la mayoría de las bombas de infusión. Estos productos duraderos están diseñados para proporcionar una precisión de salida mejorada para un control uniforme del motor y su tamaño pequeño a menudo reduce los costos de reemplazo, y permite el diseño en muchos conjuntos compactos, automatizados y de menor costo.

En cuanto al sensor de temperatura, se ha demostrado que la administración intraoperativa de líquidos intravenosos y la transfusión de productos sanguíneos tienen efectos considerables en la temperatura corporal. Por lo tanto, es importante monitorear y controlar la temperatura de los fluidos. A menudo se utiliza una gama de calentadores de fluidos médicos cuando los líquidos se infunden por vía intravenosa, y los sensores de temperatura están integrados como parte de estos sistemas para monitorear y controlar la temperatura de los líquidos. Si bien muchas de las unidades de calentamiento están separadas y son externas a la bomba de infusión, existe un impulso de integrar esta opción en los nuevos diseños de las bombas de infusión.

TE Connectivity diseña y fabrica una amplia gama de componentes y conjuntos de temperatura que se han utilizado en una amplia variedad de aplicaciones médicas invasivas y no invasivas para monitorear todo, desde la temperatura corporal central hasta la temperatura de los gases criogénicos utilizados para los balones de angioplastia.

TE diseña y fabrica una amplia gama de sensores que utilizan muchas tecnologías diferentes que son fundamentales para el monitoreo y control de sistemas electrónicos para una variedad de aplicaciones en el campo médico. Una de las principales áreas dentro del tratamiento del paciente son las bombas médicas y, más específicamente, las bombas de infusión. Los sensores de TE se aplican en las siguientes áreas de bombas de infusión:

• Sensores de fuerza para detectar oclusiones para confirmar que no hay obstrucción en el tubo que administra el medicamento al paciente.
• Los detectores de burbujas de aire son capaces de identificar positivamente la presencia de una interrupción en el flujo de cualquier tipo de líquido.
• Los sensores de posición magnetorresistivos anisótropos (AMR) monitorean la posición angular o lineal de los motores de bombas médicas.
• Los sensores de temperatura se utilizan para monitorear y controlar la temperatura de los líquidos infundidos que se administran en el cuerpo de un paciente.

Los OEM de dispositivos médicos buscan productos que proporcionen confiabilidad, tamaño adecuado (miniaturización), menor costo y mejor rendimiento general. Las muchas áreas de aplicación médica de la detección de fuerza incluyen las siguientes:

• Sistemas ambulatorios de dispensación de medicamentos, muchos de los cuales dependen de la detección de fuerza como la tecnología de sensor principal para el control de la retroalimentación.
• Los procedimientos quirúrgicos también están mejorando rápidamente, ya que la detección de fuerza o par de bajo costo y alta confiabilidad permite una medición precisa. Las máquinas de grapas y los dispositivos de cirugía ocular están siendo equipados con sensores de fuerza para permitir procedimientos quirúrgicos más rápidos y precisos.
• Las bombas utilizadas para irrigar y lavar con solución salina los sitios para cirugías de rodilla y hombro utilizan cada vez más la detección de fuerza para optimizar el caudal.
• Las celdas de carga ahora se utilizan ampliamente en la medición del peso por goteo salino.

La detección de burbujas es fundamental en aplicaciones, como bombas de infusión, hemodiálisis y monitoreo del flujo sanguíneo. El detector de burbujas de aire AD-101 de TE ofrece lo siguiente:

• Funciones de autodiagnóstico, incluidos el encendido y el autodiagnóstico continuo
• Flexibilidad de personalización para adaptarse a cualquier tubo o tubería
• Sistema electrónico integral que permite un diseño compacto del producto con una fácil integración
• 20 años de rendimiento comprobado con sensores vendidos en todo el mundo

TE diseña y fabrica sensores para una amplia variedad de aplicaciones médicas. TE ofrece la certificación ISO13485 y el registro FDA para varios sensores y conjuntos. Nuestra red global de ingenieros proporciona diseño de sensores específicos para cada aplicación, desde el concepto del producto hasta la fabricación. El equipo dedicado de sensores médicos de TE ofrece prototipos rápidos para el desarrollo de productos a un ritmo rápido y ofrece soporte durante todo el ciclo de vida del producto.