Considérations pour la conception de la technologie des capteurs médicaux

L’un des premiers concepts essentiels à prendre en compte est la capacité de survie ou robustesse de ces dispositifs. Les éléments de détection qui mesurent certaines propriétés comme la température, les vibrations ou la position, sont relativement petits et délicats. Par exemple, un capteur thermopile est composé d’un ensemble précis de thermistances miniatures pour mesurer la température dans son champ de vision. Ces capteurs sont conditionnés de manière à protéger le détecteur des environnements extérieurs. Cela devient indispensable dans certaines applications telles que les équipements de ventilation qui utilisent une thermopile pour mesurer la température de surface et des capteurs de débit d’air pour mesurer la température du flux d’air afin de compenser les changements et de fournir des températures de référence pour les autres capteurs intégrés. Encapsulé dans un boîtier en acier inoxydable, le détecteur est hermétiquement scellé pour le protéger des conditions extérieures telles que l'humidité et d'autres facteurs difficiles.

De même, les capteurs peuvent être incorporés dans un assemblage avec une mesure sans contact pour la détection de position. La demande de capteurs de position magnéto-résistifs anisotropes (AMR) a augmenté, ces éléments pouvant être intégrés et scellés dans un appareil et mesurer une échelle magnétique à l’extérieur de l’assemblage. Les prothèses articulaires offrent un exemple intéressant. Dans cette application, les capteurs AMR peuvent mesurer la rotation d’une articulation telle qu’un genou ou une cheville pour compenser le mouvement et créer un modèle de démarche plus naturel. Étant donné que le capteur est incorporé dans l’ensemble genou, il est protégé des conditions environnementales comme l’eau, les chocs et l’usure générale. Par conséquent, il permet un mouvement de rotation indépendant et sans contact physique entre le capteur et le membre en mouvement.

Nous soulignons une autre tendance majeure dans l’industrie des capteurs : la miniaturisation, qui consiste à limiter l’espace alloué à un capteur dans un produit. En 2018, TE Connectivity a élaboré et mené une enquête auprès des ingénieurs sur une variété de sujets liés à la conception de l’IdO. Quelque 180 ingénieurs ont répondu à l’enquête, principalement des ingénieurs seniors avec un intérêt déclaré pour l’IdO grand public, industriel et automobile. L’enquête a étudié les applications et les méthodes de conception de l’IdO, puis a identifié les difficultés communes qui se posent dans ce domaine. En ce qui concerne la miniaturisation, quatre-vingt-cinq pour cent des participants à l’enquête, une écrasante majorité, ont convenu que cela devrait être un domaine d'intérêt. Toutefois, quinze pour cent pensent que la miniaturisation des capteurs a déjà atteint le niveau nécessaire. La miniaturisation des capteurs ne se limite pas au marché médical mais prend de plus en plus d’importance.

Avec l’augmentation des appareils portables intelligents et connectés, il faut désormais être capable de créer des modèles légers et compacts. Malgré la précision variable des montres, les moniteurs de fréquence cardiaque montés sur la poitrine et les autres accessoires de surveillance des facteurs de santé, ces dispositifs fournissent plus d’informations que par le passé. Les consommateurs, qui s’intéressent de plus en plus aux modes de vie sains, recherchent des données plus précises, d’où une augmentation de la demande de capteurs et le besoin d’intégrer de plus en plus de capteurs sans augmenter la taille de l’emballage. 

Au-delà des appareils portatifs des amateurs de vie saine, des capteurs miniatures peuvent être intégrés dans les prothèses robotiques électroniques. Contrôler la force des doigts est une compétence fine nécessitant des mesures précises. Concernant la mesure de la force, ce n’est pas du tout la même chose de prendre un raisin que de l’écraser ; par conséquent, pour que les doigts puissent réaliser ces tâches apparemment simples, il faut disposer de données précises. L’application de capteurs magnétiques dans les articulations des doigts, au niveau du point de rotation et des jauges de contrainte, permet de contrôler le mouvement à effectuer avec précision et sans contact.
 

Améliorer la précision est un objectif clé dans le choix d’un capteur pour des applications médicales, ce qui fait des capteurs numériques une option plus souhaitable en raison de leurs sorties plus précises et plus robustes. Par exemple, les capteurs de température thermopiles numériques peuvent fournir des lectures de haute précision (±1 °C) sur des plages de température allant de 0 °C à 100 °C. Lorsqu’ils sont personnalisés pour s’adapter à une plus large gamme d’applications dans des environnements extrêmement difficiles, ces capteurs sont très performants, offrant une précision de ±4,5 °C à 300 °C. Bien que les produits analogiques soient souvent moins chers, les capteurs numériques sont conçus et configurés de telle sorte qu’ils ne nécessitent pas l’achat de composants électriques supplémentaire tels que les amplificateurs à faible décalage/faible bruit et les filtres associés. Certaines technologies de capteurs, lorsqu’elles sont fournies avec des sorties numériques, peuvent offrir plusieurs signaux de sortie à partir d’un même appareil, éliminant ainsi la plateforme globale et libérant l’espace occupé par la carte de circuit imprimé.

Dans l’enquête mentionnée ci-dessus, vingt-cinq pour cent des personnes interrogées ont mentionné la nécessité de réduire la consommation de courant des appareils IdO. Cela permettrait aux réseaux de réduire la consommation d’électricité globale, ce qui réduirait la contrainte sur la transmission de données. Il est possible de concevoir des capteurs adaptés pour des appareils médicaux grand public en adoptant le traitement numérique du signal. Cela permet de réduire la consommation de courant, de mettre en veille l’appareil lorsqu’il n’est pas utilisé et de réduire les tensions d’alimentation et donc la taille des batteries intégrées.
 

Le traitement numérique du signal joue également un rôle dans l’évolutivité, autre aspect fondamental. Les signaux de sortie analogiques traditionnels nécessitent un certain niveau de conversion pour que l’électronique moderne puisse lire et traiter les données. Cependant, l’intégration du traitement numérique du signal réduit le temps d’étalonnage lors de la fabrication du système ou de l’appareil, ce qui améliorer la précision. Étant donné que l’équipement d’étalonnage du fabricant du capteur est conçu pour tester et qualifier le capteur, l’OEM n’a pas besoin d’investir autant d’argent pour dupliquer les exigences du système afin de gérer la conversion du signal de l’analogique au numérique. En outre, les fabricants de capteurs peuvent personnaliser l’outillage mécanique, la programmation et l’étalonnage des capteurs en fonction des besoins des clients afin d’offrir des solutions prêtes à l’emploi.

Selon l’American Hospital Association, plus de 5 000 hôpitaux enregistrés aux États-Unis ont totalisé plus de 35 millions d’admissions en 2017. Tandis que le secteur médical américain s’efforce de réduire le nombre de consultations et d’admissions et la durée des séjours hospitaliers, la demande d’assistance de la part des patients et le besoin d’équipements de surveillance restent constants. Par conséquent, la conception de capteurs en vue d’une production évolutive et automatisée est une option de plus en plus recherchée dans la sphère médicale pour répondre à la demande.

La technologie de montage en surface des capteurs permet aux ingénieurs en conception d’intégrer le capteur dans l’électronique de l’assemblage. Les photodétecteurs sont conçus avec un cadre de plomb traditionnel soudé à la main dans l’assemblage et sont maintenant intégrés dans les modèles SMT. Ce conditionnement soudable par refusion permet aux ingénieurs de concevoir des capteurs dans des assemblages qui sont ensuite incorporés et positionnés à l’aide de machines, ce qui augmente la qualité globale tout en réduisant le temps et le coût de fabrication. Pouvant être montés verticalement ou horizontalement, les capteurs AMR sont également conçus pour les boîtiers SMT. Selon le système, cette versatilité peut s’avérer importante au moment d’insérer le capteur dans le système et offre plus de flexibilité quant au positionnement de l’aimant.