Présentation sur les applications de pompes médicales

Ces tendances se traduisent par une augmentation de la demande globale de capteurs dans les produits et dispositifs médicaux, mais poussent également au développement de capteurs plus petits, plus rapides, plus précis et plus fiables. Or la plupart des fabricants ayant des budgets limités, l’idéal pour eux est de disposer de composants peu coûteux. Par conséquent, les nouveaux capteurs lancés sur le marché doivent à la fois être plus petits, tout aussi fonctionnels et maintenir un prix abordable.

Les capteurs jouent un rôle essentiel dans une vaste gamme d’applications médicales, telles que les applications de pompes et de mesure du débit. Une pompe à perfusion est un appareil médical qui administre des liquides contenant des nutriments ou des médicaments dans le corps d’un patient selon la posologie exacte prescrite et sur une période définie. Ces modèles de pompes médicales sont très utilisés dans les environnements cliniques tels que les hôpitaux, les maisons de soins et les installations de soins à domicile, car ils offrent des avantages significatifs par rapport à l’administration manuelle de liquides. Parmi ces avantages figure la possibilité d’administrer de très petites doses, de confirmer les volumes programmés et de réduire la charge de travail des employés grâce à l’administration automatisée.

Étant donné que les pompes à perfusion servent souvent à administrer des liquides vitaux, notamment des traitements à haut risque, toute défaillance des pompes peut avoir de graves conséquences pour la sécurité des patients. De nombreuses pompes à perfusion sont équipées de dispositifs de sécurité, tels que des alarmes ou d’autres systèmes d’alerte de l’opérateur destinés à s’activer en cas de problème. Par exemple, certaines pompes sont conçues pour alerter les patients et le personnel lorsque de l’air ou un autre élément de blocage est détecté dans le tube. Certaines pompes à perfusion plus récentes, souvent appelées pompes intelligentes, sont conçues pour alerter l’utilisateur lorsqu’il existe un risque d’interaction médicamenteuse indésirable ou lorsque l’utilisateur définit les paramètres de la pompe en dehors des limites de sécurité indiquées.

Dans les applications de pompes traditionnelles et intelligentes, les capteurs sont des composants clés pour contrôler et surveiller les pompes à perfusion. Ils sont conçus pour détecter les occlusions, surveiller le débit des fluides, fournir un retour d’information pour la commande du moteur et, dans certains cas, détecter la température du liquide administré par voie intraveineuse. La figure ci-dessous montre les endroits où des capteurs peuvent être installés dans une pompe à perfusion standard.

De nombreuses variables concernant les pompes doivent être prises en compte dans les applications de pompes médicales. Il s’agit notamment du volume de liquide, mais aussi du mode de perfusion, qui peut être continu, intermittent ou contrôlé par le patient. Pour assurer un écoulement correct du liquide, des capteurs de force sont intégrés dans la pompe afin de détecter les éventuelles occlusions. Le capteur de force est généralement installé sous une partie du tube qui transporte le liquide intraveineux. Lorsqu’un blocage se produit dans une pompe, le tube se dilate. Un capteur de force placé au point d’insertion du tube dans le boîtier peut détecter cette dilatation en surveillant la force exercée sur le capteur par une section du tube. Le capteur peut déclencher une alarme pour alerter l’utilisateur en cas de dilation. Les mêmes principes de fonctionnement peuvent s’appliquer aux pompes à perfusion et aux dispositifs conçus pour être utilisés par des professionnels de la santé dans des contextes tels que les hôpitaux, les maisons de retraite et les soins à domicile. La dilatation est détectée en surveillant la force exercée sur le capteur par une section du tube. Le capteur peut déclencher une alarme pour alerter l’utilisateur en cas de dilation. Les mêmes principes de fonctionnement peuvent s’appliquer aux pompes à perfusion et aux dispositifs conçus pour être utilisés par des professionnels de la santé dans des contextes tels que les hôpitaux, les maisons de retraite et les soins à domicile.

Bien que les capteurs médicaux à usage externe, tels que les pompes à perfusion, soient généralement moins complexes sur le plan technologique que les capteurs implantables, ils doivent néanmoins répondre à des exigences strictes. Malgré la miniaturisation des appareils qu’impose la portabilité, les utilisateurs veulent que ces systèmes conservent leur fonctionnalité et leur précision. Pour concevoir des dispositifs médicaux petits mais précis, les composants tels que les capteurs doivent également offrir des fonctionnalités robustes à petit prix. De plus, la fiabilité est essentielle pour la plupart des applications de pompes médicales, en particulier lorsque des liquides vitaux sont administrés.

Un capteur de force est un capteur dont les propriétés changent lorsqu’une force, une pression ou une contrainte mécanique est exercée. Différentes technologies peuvent être utilisées pour concevoir et fabriquer un capteur de force. TE Connectivity conçoit et fabrique des capteurs de force pour les applications nécessitant des performances élevées ou un emballage unique, notamment des dispositifs et équipements médicaux. Les capteurs de force de TE sont basés sur une technologie exclusive de jauge de contrainte piézorésistive en silicium (Microfused) qui combine durabilité et stabilité à long terme dans des ensembles à très faible coût. Les capteurs de force (également appelés « cellules de charge ») sont utilisés dans diverses applications médicales, notamment les pompes à perfusion. Il sont aussi utilisés dans d’autres applications sur le marché médical comme la physiothérapie, les lits d’hôpitaux (poids du patient), les agrafeuses chirurgicales, les machines d’assistance à la réanimation cardiorespiratoire (RCR) pour les traitements médicaux d’urgence, ainsi que pour la surveillance des réservoirs d’oxygène.

L’effet piézorésistif est très utilisé dans la technologie des capteurs. Cet effet désigne un changement dans la résistivité électrique d’un semi-conducteur ou d’un métal lorsqu’une contrainte mécanique est exercée. Un capteur de force piézorésistif contient plusieurs plaquettes de silicium fines insérées entre les surfaces de protection. La surface est reliée à un pont de Wheatstone, dispositif permettant de détecter de petites différences de résistance. Le pont de Wheatstone fait passer une petite quantité de courant à travers le capteur. Lorsque la résistance change, le courant traversant le capteur change également. Le pont de Wheatstone détecte ce changement et signale un changement de pression.

La technologie de fabrication exclusive de TE, Microfused, repose sur le micro-usinage de jauges de contrainte piézorésistives en silicium et leur fusion au travers d’un processus de collage de verre à haute température sur un substrat en acier inoxydable haute performance. Ce processus mature et fiable a déjà fourni des millions de capteurs de force et constitue une technologie éprouvée dans une grande variété d’applications médicales. La technologie Microfused supprime les époxydes organiques sensibles au vieillissement utilisés dans les modèles traditionnels de capteurs de force, offrant une portée à long terme et une stabilité du zéro excellentes. Les capteurs mesurent directement la force et ne sont donc pas sujets aux problèmes de fatigue de la matrice, fréquents dans les modèles concurrents

qui utilisent une capsule sous pression intégrée dans une cavité remplie de gel de silicone. Fonctionnant à des contraintes très faibles, la technologie Microfused offre une durée de cycle de vie globalement illimitée, une résolution supérieure, une excellente réponse en fréquence et des capacités de dépassement élevées. Dans l’ensemble, les capteurs de force Microfused ont démontré leur robustesse et leur fiabilité dans une large gamme de dispositifs médicaux.

Voici quelques exemples de produits pour illustrer les principes de fonctionnement : dans le capteur de force FS20, un collecteur de charge en forme de disque situé au sommet du capteur est exposé aux contraintes mécaniques exercées par la pression du liquide dans la pompe. Le collecteur de charge métallique agit comme un point de travail. Il est dévié d’environ 0,05 millimètre à la charge nominale. Une jauge de contrainte piézorésistive en silicium est fixée sous le collecteur de charge. Lorsque la jauge de contrainte est exposée à une contrainte sous l’effet de la flexion élastique du collecteur de charge, la résistance de la structure de la jauge de contrainte change. Ce changement est traité dans un circuit intégré (CI), puis transmis au câble de sortie. Le zéro et la portée de la cellule sont normalisés pour assurer l’interchangeabilité du capteur. Les capteurs de force miniatures de type FS20 offrent une combinaison particulièrement attrayante de caractéristiques électromécaniques et économiques.

Le capteur FS20 conforme RoHS est disponible en deux versions et offre une plage de force allant de 750 grammes à 1500 g. Ce capteur, qui offre une sortie de haut niveau, un faible bruit, de faibles erreurs de charge excentrée et une capacité de dépassement élevée (jusqu’à 2,5 x), ainsi que des résultats rapides et précis (± 1 % de la portée) et une compensation de température pour une plage comprise entre 0 °C et 50 °C, est un excellent choix pour la surveillance des pompes. Comme la déviation du collecteur de charge est très faible, ce capteur a une durée de vie globalement illimitée. Compact (25,1 x 17,27 x 8,26 mm), il peut être utilisé dans une large gamme d’applications présentant des contraintes d’espace telles que les pompes à perfusion et d’autres applications médicales portables. 

Le capteur de force miniature FC22 repose sur le même principe de fonctionnement ; cependant, la zone de travail est plus petite pour faciliter la mesure de la charge ponctuelle. La taille du capteur et sa connexion par câble offrent différentes options d’intégration. Le capteur FC22 est également disponible en version pont millivolt.

Le capteur de compression FX1901 conforme RoHS est utilisé, par exemple, en physiothérapie, pour mesurer le poids des patients (balances), et dans les équipements de chiropraxie et d’exercice. Cinq plages de mesure couvrent des charges maximales allant de 10 lbf à 200 lbf (de 5 kg à 100 kg environ). Le signal de sortie analogique par rapport à la tension d’entrée est de 20 mV/V (20 mV de sortie pour chaque 1 V de tension d’entrée). Ce capteur de force d’une précision de 1 % est conçu pour être économique.

Le FX29 , dernière innovation parmi les capteurs de force de TE, offre plusieurs fonctionnalités nouvelles et améliorées et, suite aux nombreux changements de conception, sera disponible à un coût nettement inférieur à celui des modèles de capteurs de force précédents. Le FX29 est un capteur de force de compression miniature conçu pour les applications de mesure de force intégrées. Le capteur intègre la technologie Microfused de haute fiabilité et est proposé dans des gammes allant de 10 lbf à 200 lbf. Le FX29 a diversifié les types de sortie disponibles, proposant des options de sortie mV, amplifiée et numérique. L’incorporation de circuits numériques améliore la précision globale du système et les plages de mesure basses disponibles permettent son utilisation dans une gamme plus large d’applications. Un système performant protège le capteur contre les surtensions et les pics du système et la faible déviation avec une sensibilité de sortie élevée réduit la contrainte sur le diaphragme de détection, ce qui rend le FX29 idéal pour les applications médicales exigeantes.

La détection de bulles d’air joue un rôle vital dans les applications telles que les pompes à perfusion, l’hémodialyse et la surveillance du flux sanguin où une interruption des performances pourrait s’avérer fatale. Les détecteurs de bulles à ultrasons sont des détecteurs acoustiques de bulles et de liquides sans contact utilisés pour détecter la présence de bulles d’air et de liquide dans les tubes à perfusion. Ils sont très utilisés dans certaines applications, par exemple pour le transfert de liquide et la perfusion dans les pompes médicales, en pharmacie et dans la recherche industrielle et scientifique.

Le capteur de détection de bulles d’air AD-101 de TE, dispositif de surveillance continue et non invasive servant à détecter la présence de bulles d’air dans du liquide, utilise la technologie ultrasonique pour repérer les ruptures d’écoulement de tout type de liquide. Grâce à l’autodiagnostic continu et à la flexibilité de l’emballage, ces capteurs fournissent une détection fiable et précise des bulles pour des applications vitales telles que les pompes à perfusion.

Comme indiqué ci-dessous, un détecteur de bulles d’air tel que l’AD-101 de TE est conçu pour être installé directement sur le tube utilisé pour administrer le liquide au patient. Le détecteur de bulles contient un transducteur piézoélectrique intégré qui émet un signal ultrasonore. Le signal passe à travers le tube et son contenu. Un récepteur piézoélectrique capte ce signal ultrasonore. Les liquides transmettent efficacement les ultrasons. Par conséquent, si le tube ne contient que du liquide, le signal transmis est fort. Les bulles d’air en revanche ne transmettent pas efficacement les ondes ultrasonores, donc toute présence de bulle dans le liquide affaiblit le signal. Un circuit interne mesure l’amplitude du signal du récepteur et fournit la sortie correspondante. Le détecteur de bulles d’air à ultrasons est non invasif et n’est pas en contact direct avec le liquide. L’AD-101 est prévu pour les tubes allant de 3 mm à 10 mm et peut être conçu sur mesure pour les tubes d’un diamètre inhabituel. Son temps de réponse est inférieur à 2 ms, il fournit un niveau logique de sortie TTL de 3,3 V et il dispose d’un voyant LED intégré qui s’allume si une bulle est détectée.

L’AD-101 est également doté d’une capacité d’autodiagnostic intégrée qui surveille en permanence le fonctionnement du capteur. Le capteur peut être utilisé dans n’importe quelle position et quel que soit l’angle d’écoulement du liquide (vers le haut, vers le bas ou autre). La gravité n’a aucun effet sur la capacité de détection.

Les pompes à perfusion deviennent de plus en plus sophistiquées avec l’ajout de fonctionnalités et de diagnostics supplémentaires. Cela oblige à utiliser davantage de capteurs et à en améliorer les performances. Il existe deux autres domaines dֹ’utilisation des capteurs dans les pompes médicales : les capteurs de position pour le retour de position du moteur et le diagnostic, et les capteurs de température pour la surveillance et le contrôle des liquides de perfusion.

Les capteurs magnéto-résistifs anisotropes (AMR) sont des dispositifs précis et sans contact qui mesurent les changements d’angle qu’ils détectent dans un champ magnétique. Les capteurs magnétiques offrent des mesures de position sans contact robustes dans des environnements difficiles. Par exemple, les caractéristiques uniques de l’effet AMR permettent de mesurer les déplacements submicrométriques dans les codeurs linéaires de précision. La technologie AMR est également utilisée avec succès pour la détection de présence, telle que la détection de point final dans les cylindres pneumatiques. Cette technologie AMR fournit des solutions robustes et peu coûteuses de surveillance des mouvements linéaires ou rotatifs et permet un retour de position précis pour les principaux moteurs utilisés dans les pompes à perfusion. Ces produits durables sont conçus pour fournir une meilleure précision de sortie afin de contrôler le moteur en douceur, et leur petite taille réduit souvent les coûts de remplacement et permet de les intégrer à moindre coût dans de nombreux assemblages compacts et automatisés.

Du côté des capteurs de température, il a été démontré que l’administration intraveineuse peropératoire de liquide et la transfusion de produits sanguins ont des effets considérables sur la température corporelle. Il est donc important de surveiller et de contrôler la température des liquides. Différents types de réchauffeurs pour liquides médicaux sont souvent utilisés pour l’administration de liquide par voie intraveineuse, et ces systèmes intègrent des capteurs de température pour surveiller et contrôler la température du liquide. Bien que les unités de réchauffement soient généralement des systèmes externes séparés de la pompe à perfusion, la tendance est d’intégrer cette option dans les nouveaux modèles de pompes à perfusion.

TE Connectivity conçoit et fabrique toute une gamme de composants et d’assemblages pour le contrôle de la température qui ont été utilisés dans un grand nombre d'applications médicales invasives et non invasives pour tout surveiller, de la température centrale du corps à la température des gaz cryogéniques utilisés pour les ballons d'angioplastie.

TE conçoit et fabrique une vaste gamme de capteurs utilisant toutes sortes de technologies vitales de surveillance et de contrôle des systèmes électroniques pour différentes applications dans le domaine médical. L’un des principaux domaines dans le traitement des patients est celui des pompes médicales et, plus précisément, des pompes à perfusion. Les capteurs TE sont utilisés dans les zones suivantes des pompes à perfusion :

• Les capteurs de force servent à détecter les occlusions et à confirmer l’absence de blocage dans le tube qui administre le médicament au patient.
• Les détecteurs de bulles d’air sont capables de repérer une rupture d’écoulement dans tout type de liquide.
• Les capteurs de position magnétorésistifs anisotropes (AMR) surveillent la position angulaire ou linéaire des moteurs des pompes médicales.
• Les capteurs de température sont utilisés pour surveiller et contrôler la température des liquides administrés au patient.

Les équipementiers de dispositifs médicaux recherchent des produits fiables, d’une taille appropriée (miniaturisation), offrant un bon prix et de meilleures performances globales. Les capteurs de force ont de nombreux domaines d’application dans le secteur médical :

• Les systèmes ambulatoires d’administration de médicaments utilisent souvent et principalement la détection de force pour le contrôle à retour d’information.
• Les procédures chirurgicales connaissent également des progrès rapides grâce aux solutions fiables et bon marché de détection de force et de couple qui fournissent des mesures précises. Les agrafeuses et les appareils de chirurgie oculaire sont équipés de capteurs de force qui augmentent la précision et la rapidité des interventions chirurgicales.
• Les pompes utilisées pour l'irrigation et le rinçage salin des sites en chirurgie du genou et de l’épaule utilisent de plus en plus la détection de force pour optimiser le débit.
• Les capteurs de force sont maintenant largement utilisés pour peser le sérum physiologique administré.

La détection des bulles d’air est essentielle dans des applications telles que les pompes à perfusion, l’hémodialyse et la surveillance du flux sanguin. Le détecteur de bulles d’air AD-101 de TE offre les caractéristiques suivantes :

• Fonctions d’autodiagnostic, notamment mise sous tension et autodiagnostic continu
• Système flexible pouvant être adapté à n’importe quel tube ou tuyau
• Électronique intégrée permettant de concevoir un produit compact, facile à intégrer
• 20 ans d’expérience dans la production de capteurs aux performances éprouvées, vendus dans le monde entier

TE conçoit et fabrique des capteurs pour une grande variété d’applications médicales. TE offre la certification ISO13485 et l’enregistrement FDA pour divers capteurs et assemblages. Notre réseau mondial d’ingénieurs fournit des modèles de capteurs pour des applications précises, depuis la conception jusqu’à la fabrication du produit. L'équipe de TE dédiée aux capteurs médicaux propose un prototypage rapide pour le développement rapide de produits et offre une assistance tout au long du cycle de vie du produit.