Solución piezoeléctrica para el monitoreo de los signos vitales

Cuando se estira una banda de película piezoeléctrica de polímero PVDF (película piezoeléctrica), esta genera una señal eléctrica (carga o voltaje) entre las superficies superior e inferior del electrodo, proporcional a la cantidad de elongación. Los materiales piezoeléctricos generalmente se consideran que responden a la presión, pero en el caso de la película piezoeléctrica, la geometría del elemento significa que se pueden alcanzar niveles de tensión muy altos en la sección transversal de la película cuando se aplica una fuerza muy baja en la dirección longitudinal, mientras que el mismo nivel de fuerza aplicado sobre un área más grande a la superficie de la película generaría una tensión mucho menor. Por lo tanto, la película piezoeléctrica demuestra una sensibilidad fenomenal a la tensión dinámica, generalmente en la región de 10 a 15 mV por microcepa (cambio de ppm en la longitud) para PVDF de 28 μm de grueso. La frase tensión "dinámica" se utiliza porque la carga eléctrica generada por un cambio en la deformación se escapa al circuito eléctrico conectado a la película, por lo que las condiciones estáticas de deformación no se pueden detectar. Esto puede resultar ser una ventaja en los casos en que el sensor puede colocarse bajo diferentes niveles de precarga. La película solo ve cambios variables en el tiempo en la tensión, con una respuesta de frecuencia que puede comenzar desde tan solo 0.1 Hz. La película piezoeléctrica también es liviana, delgada y altamente flexible,
y no requiere energía externa para funcionar. Esta combinación única de propiedades permite abordar una amplia gama de aplicaciones médicas donde se deben detectar señales mecánicas de muy bajo nivel. Obviamente se trata de una tecnología de gran interés donde la potencia disponible es limitada (incluso puede generar pequeñas cantidades de energía en algunas configuraciones). También es extremadamente duradera, capaz de soportar cientos de millones de ciclos de flexión y es resistente a los golpes.

Si se explotan las propiedades de la película piezoeléctrica como una "galga extensiométrica dinámica", se puede adherir fácilmente un elemento directamente a la piel (p. ej., en el interior de la muñeca). TE fabrica un sensor de uso general que ya tiene adhesivo sensible a la presión en un lado, pero el adhesivo no está clasificado para biocompatibilidad, por lo que para ensayos a corto plazo, se fijó un parche de 3M 9842 (cinta delgada de poliuretano con recubrimiento adhesivo) en la piel y el sensor de película piezoeléctrica se aplicó en la parte superior. La Figura 1 muestra una señal de pulso, obtenida con un amplificador de carga con límite de baja frecuencia establecido en 1 Hz y una sensibilidad de 1 mV/pC. La salida de aproximadamente 130 mV pk-pk corresponde a un voltaje de circuito abierto de alrededor de 100 mV pk-pk, que a su vez, puede interpretarse como una deformación dinámica de aproximadamente 8 με. Esta señal se grabó mientras la mano estaba en reposo. Flexionar o girar la muñeca podría generar señales de amplitud mucho más altas, especialmente cuando un límite de frecuencia más bajo se seleccionó en el preamplificador. Como ejemplo, la Figura 2 muestra la respuesta del sensor mientras un objeto fue agarrado y luego liberado repetidamente, lo que mostró una amplitud de alrededor de 3V de circuito abierto o alrededor de 250 με.

Esta capacidad de la película para detectar señales físicas muy pequeñas y también movimientos brutos surge del hecho de que la respuesta piezoeléctrica en la película de PVDF es lineal en un rango dinámico muy grande (estimado en hasta 14 órdenes de magnitud). En muchos casos, las señales más pequeñas se pueden extraer mediante filtrado, siempre que los anchos de banda de la señal del objetivo y el "ruido" estén suficientemente bien separados. Se han utilizado sensores autoadhesivos similares para detectar el movimiento muscular y de la piel del pecho, la pierna y el párpado durante el estudio del trastorno del sueño. Además, la respuesta de un músculo (por ejemplo, entre el pulgar y el índice) a una estimulación eléctrica deliberada se puede detectar como un indicador de la efectividad de la anestesia (conocida como transmisión neuromuscular).

El Minisense 100 es un componente estándar que emplea un diseño en voladizo cargado en masa con material rígido de PCB que forma la abrazadera y permite el montaje de los pines de conexión. La masa añadida hace que el sensor responda inercialmente bajo la influencia de la aceleración. El elemento de la película se dobla a medida que la masa se detiene, lo que lleva a una sensibilidad de voltaje extremadamente alta (alrededor de 1 V/g). Una variante de este componente detecta los signos vitales cuando un miembro del personal o paciente usa una "insignia inteligente" (equipada con telemetría de RF) y permite transmitir una señal periódica para fines de seguimiento o ubicación. La insignia entra en modo de suspensión cuando el sensor detecta que la insignia ha sido retirada de una persona viva, pero se mantiene "despierta" por temblor muscular, movimiento corporal brusco, o incluso vibración del pulso. El sensor estándar puede revelar detalles de los "sonidos" del corazón cuando se sostiene contra el pecho con una correa elástica ligera. Con un límite de frecuencia muy bajo seleccionado en la interfaz electrónica, también es posible ver la frecuencia respiratoria (Figura 3). En esa forma de onda, el movimiento de la pared torácica aparece como una señal periódica lenta con aproximadamente un período de cuatro segundos, mientras que los latidos cardíacos individuales se pueden ver alrededor de 1/s (60 lpm). Para eliminar la señal de respiración y eliminar algo de ruido, es posible aplicar filtros a 1 Hz (inferior) y 10 Hz (superior) para obtener señales en tiempo real (Figura 4). Tenga en cuenta que los trazos en la forma de onda de la Figura 4 se toman de un paciente en reposo. Naturalmente, con un acelerómetro, el movimiento corporal puede dominar fácilmente las señales de los latidos del corazón. De hecho, una pequeña implementación (dimensiones activas del sensor 1.3 x 3 mm) de un sensor de aceleración de viga en voladizo
se utiliza dentro de un marcapasos para detectar el nivel de actividad física del paciente, de modo que la tasa de estimulación se pueda ajustar en consecuencia.

Varios estetoscopios electrónicos han utilizado la película piezoeléctrica como elemento de detección activa, debido a su solidez, alta sensibilidad y amplio ancho de banda. Aquí, el elemento de detección debe mantenerse con cierta "fuerza de reacción" contra el cuerpo, normalmente utilizando un diseño de campana masiva convencional como para un estetoscopio acústico directo. Una vez que la señal de presión dinámica se ha convertido en una señal eléctrica, el contenido de la información se puede mejorar mediante filtrado selectivo o amplificación, reproducirse como una señal de audio, analizarse a través de algoritmos más complejos para detectar condiciones específicas, transferirse a través de un enlace de datos a una estación base remota para su posterior análisis y almacenamiento y así sucesivamente. El uso de un sensor acústico compacto significa que se puede monitorear más de un punto simultáneamente.

Alejándose aún más del contacto directo con el cuerpo, tanto la película piezoeléctrica como el cable piezoeléctrico se han utilizado como parte de un colchón para detectar los latidos del corazón, la respiración y el movimiento corporal de un paciente. Se puede integrar una serie de sensores en una funda de colchón que mide pasivamente la información del paciente mientras el paciente se acuesta o se sienta sobre estos dispositivos de recolección, lo que proporciona mediciones precisas incluso a través de ropa, batas o sábanas. La "presencia" estática se detecta mediante interruptores flexibles, mientras que los elementos de película piezoeléctrica convierten todos los signos vitales dinámicos del paciente en señales eléctricas correspondientes, que se pueden mostrar en una unidad de cabecera con lógica de alarma. El sistema puede dar una alerta temprana de anomalías cardíacas o respiratorias, así como la salida no autorizada de la cama, todo sin contacto directo con el paciente.