Considerações sobre o Design da Tecnologia de Sensores Médicos

Um dos primeiros conceitos essenciais a considerar é a sobrevivência, ou robustez, desses dispositivos. Os elementos de detecção que medem propriedades como temperatura, vibração e posição são relativamente pequenos e delicados. Por exemplo, um sensor de termopilha é composto por uma matriz precisa de termistores em miniatura que medem a temperatura dentro de seu campo de visão. Esses sensores são montados de forma a proteger o elemento de detecção do ambiente externo. Essa prática se torna crucial em aplicações como equipamentos de ventilação, nos quais uma termopilha é projetada para medir a temperatura da superfície e sensores de fluxo de ar em massa medem a temperatura do fluxo de ar para compensar mudanças nas condições e fornecer uma medição de temperatura de base para outros sensores a bordo. Encapsulado em uma carcaça de aço inoxidável, o elemento de detecção é hermeticamente selado para proteção contra condições externas, como umidade e outros fatores adversos.

Da mesma forma, os sensores podem ser montados dentro de um conjunto para detecção de posição em medições sem contato. A capacidade de montar e vedar sensores de posição magneto resistivos anisotrópicos (AMR – Anisotropic Magneto Resistive) dentro de um dispositivo para medição de uma escala magnética externa ao conjunto aumentou sua demanda. As articulações prostéticas são um exemplo interessante. Nessa aplicação, os sensores AMR podem medir a rotação de articulações, como o joelho ou tornozelo, para compensar o movimento e criar um padrão de marcha mais natural. Como o sensor é montado dentro do conjunto do joelho, está protegido de condições ambientais como água, impacto e desgaste geral. Portanto, é possível ter um movimento rotacional independente entre o sensor e o membro sem contato físico.

Outra tendência importante a ser considerada na indústria de sensores é a miniaturização, um esforço para limitar o espaço ocupado pelo sensor dentro de um produto. Em 2018, a TE Connectivity elaborou e conduziu uma pesquisa para engenheiros sobre diversos tópicos relacionados ao design de IoT. Recebemos respostas de 180 engenheiros com interesse declarado em IoT nos setores de consumo, industrial e automotivo. A pesquisa explorou aplicações de IoT e métodos de design e, em seguida, identificou desafios comuns que existem nesse espaço. No tema da miniaturização, a esmagadora maioria de 85% dos participantes da pesquisa concordou que isso deveria ser uma área de foco. Ao mesmo tempo, 15% acreditam que a miniaturização dos sensores já foi tão longe quanto necessário. A miniaturização dos sensores não é exclusiva do mercado médico, mas está aumentando em importância.

Com o aumento dos dispositivos vestíveis e conectados, a capacidade de criar designs compactos e leves passa a ser uma necessidade. Embora relógios, monitores de frequência cardíaca montados no peito e joias estejam monitorando fatores de saúde com precisão variada, eles fornecem mais informações do que era disponível no passado. À medida que cresce o foco do consumidor em uma vida saudável, a motivação para dados mais precisos aumenta a demanda por sensores e a necessidade de instalar um número maior deles em um pacote do mesmo tamanho. 

Além dos dispositivos vestíveis para uma vida saudável, os sensores em miniatura podem ser integrados em próteses robóticas eletrônicas. A força e o controle dos dedos é uma habilidade meticulosa que requer medições precisas. Em termos de medição de força, a diferença entre segurar uma uva e esmagá-la pode ser significativa. Portanto, os dedos necessitam de dados precisos para realizar tarefas aparentemente simples. A aplicação de sensores magnéticos no ponto de rotação das articulações dos dedos e o uso de extensômetros permitem controle e movimento precisos sem contato.
 

A maior precisão é um objetivo fundamental na escolha de um sensor para aplicações médicas e torna os sensores digitais uma opção mais desejável devido às suas saídas mais precisas e confiáveis. Por exemplo, sensores de temperatura digitais tipo termopilha podem fornecer alta precisão de ± 1 °C em leituras de temperaturas na faixa de 0 °C a 100 °C. Quando personalizados para acomodar uma gama mais ampla de aplicações para ambientes intensamente adversos, esses sensores podem fornecer alta precisão de ± 4,5 °C a 300 °C. Embora os produtos analógicos sejam muitas vezes menos caros, os sensores digitais, em virtude de seu design e configuração, não exigem a compra de componentes elétricos adicionais, como amplificadores de baixo desvio/baixo ruído e filtros associados. Certas tecnologias de sensores, quando montadas com saídas digitais, podem oferecer múltiplos sinais de saída do mesmo dispositivo, eliminando assim a plataforma geral e espaço ocupado pela placa de circuito.

Na mesma pesquisa citada acima, 25% dos entrevistados mencionaram a necessidade de menor consumo de corrente em dispositivos de IoT. Se esse menor consumo for alcançado, as redes poderão reduzir o consumo global de energia, resultando na diminuição da tensão na transmissão de dados. É possível projetar sensores para um número maior de dispositivos médicos voltados para o consumidor adotando o processamento de sinal digital. Esse método levaria a um menor consumo de corrente, permitiria colocar o dispositivo em repouso quando não estivesse sendo usado, resultando em operação com tensões de alimentação mais baixas que viabilizariam o uso de baterias menores.
 

O processamento de sinais digitais também desempenha um papel na escalabilidade, o que é outra consideração fundamental. Os sinais de saída analógica tradicionais exigem algum nível de conversão para leitura e processamento dos dados pela eletrônica moderna. Contudo, o processamento do sinal digital na placa reduz o tempo de calibração durante a fabricação do sistema ou do dispositivo, o que leva a uma maior precisão. Como foi projetado para testar e qualificar o sensor, o equipamento de calibração do fabricante do sensor requer menos investimento do OEM para duplicar os requisitos do sistema a fim de gerenciar a mudança de processamento de sinal analógico para digital. Além disso, os fabricantes de sensores podem personalizar as ferramentas mecânicas, a programação de sensores e a calibração de acordo com as necessidades do cliente para viabilizar designs do tipo plug-and-play.

De acordo com a American Hospital Association, mais de 5.000 hospitais registrados nos EUA tiveram mais de 35 milhões de internações em 2017. Enquanto o setor médico nos EUA está trabalhando para reduzir as idas ao hospital, o número de internações e o tempo de internação, a demanda para apoiar o paciente e a necessidade de equipamentos de monitoramento permanece uniforme. Portanto, projetar sensores para produção escalável e automatizada se tornou uma opção mais desejada no espaço médico para acompanhar a demanda.

A tecnologia de montagem de superfície para sensores permite que os engenheiros de design incorporem o sensor aos componentes eletrônicos do conjunto. Os sensores foto-ópticos têm design tradicional de encapsulamento de terminais soldados à mão em conjuntos e atualmente montados em designs de SMT (Surface Mount Technology – Tecnologia de montagem de superfície). A montagem de solda por refusão permite que os engenheiros projetem sensores em conjuntos integrados através de máquinas de seleção e posicionamento, aumentando a qualidade geral e, ao mesmo tempo, reduzindo o tempo e o custo de fabricação. Com a flexibilidade de montagem vertical ou horizontal, os sensores AMR também são projetados para montagem SMT. Dependendo do design do sistema, isso pode desempenhar um papel importante para garantir que o sensor possa caber dentro do sistema e aumentar a flexibilidade para colocação do ímã.