White Paper: Aplicações de Bombas Médicas

Essas tendências aumentaram a demanda global por sensores em produtos e dispositivos médicos e estão, ao mesmo tempo, pressionando para que os sensores sejam menores e mais rápidos, precisos e confiáveis. Além disso, a maioria dos fabricantes tem orçamentos limitados, o que torna ideal usar componentes de baixo custo. Portanto, as inovações dos sensores que chegam ao mercado precisam apresentar fatores de forma menores enquanto mantêm alta funcionalidade e custos acessíveis.

Os sensores desempenham um papel essencial em uma ampla gama de funções em saúde, incluindo várias aplicações médicas de bombas e controle de fluxo. Uma bomba de infusão é um dispositivo que fornece fluidos, como nutrientes e medicamentos, diretamente para o corpo do paciente em volumes prescritos e precisos ao longo de um período especificado. Esses tipos de bombas médicas têm uso generalizado em ambientes clínicos, como hospitais, casas de idosos e ambientes domiciliares, pois oferecem vantagens significativas em relação à administração manual de fluidos. Essas vantagens incluem a capacidade de administrar doses muito pequenas, confirmar volumes programados e reduzir a carga horária dos funcionários com a administração automatizada.

Como as bombas de infusão são frequentemente usadas para administrar fluidos críticos, incluindo medicamentos de alto risco, qualquer falha na bomba pode ter implicações significativas para a segurança do paciente. Muitas bombas de infusão são equipadas com recursos de segurança, como alarmes ou outros alertas ao operador, que devem ser ativados caso ocorra um problema. Por exemplo, algumas bombas são projetadas para alertar pacientes e funcionários quando ar ou outro bloqueio é detectado na tubulação. Algumas bombas de infusão mais novas, muitas vezes chamadas de bombas inteligentes, são projetadas para alertar o usuário sobre o risco de uma interação adversa com medicamentos, ou quando o usuário define parâmetros fora dos limites de segurança especificados.

Tanto nas bombas de infusão tradicionais como nas inteligentes, os sensores são componentes-chave no controle e monitoramento. Eles são projetados para permitir a detecção de oclusão, monitorar o fluxo de fluidos, fornecer realimentação para controle do motor e, em alguns casos, medir a temperatura do fluido sendo administrado por IV. A figura abaixo ilustra os locais nos quais os sensores podem ser empregados em uma bomba de infusão típica.

Existem muitas variáveis que precisam ser consideradas como parte das aplicações de bombas médicas. Essas variáveis incluem o volume do fluido, mas também o modo de infusão, que pode ser contínuo, intermitente ou controlado pelo paciente. Para garantir o fluxo correto do fluido, sensores de força são integrados na bomba para detectar possíveis oclusões. O sensor de força é tipicamente instalado sob um trecho da tubulação que está transportando o fluido IV. Quando ocorre um bloqueio na bomba, a tubulação se expande. Um sensor de força colocado onde a tubulação entra na carcaça pode detectar essa expansão monitorando a força que uma seção da tubulação aplica no sensor. O sensor pode acionar um alarme para alertar o usuário quando essa expansão é detectada. Os mesmos princípios de operação podem ser aplicados em bombas de infusão e dispositivos projetados para operação por profissionais médicos em ambientes como hospitais, unidades de cuidados paliativos e no atendimento domiciliar. Expansão monitorando a força que uma seção da tubulação aplica no sensor. O sensor pode acionar um alarme para alertar o usuário quando essa expansão é detectada. Os mesmos princípios de operação podem ser aplicados em bombas de infusão e dispositivos projetados para operação por profissionais médicos em ambientes como hospitais, unidades de cuidados paliativos e no atendimento domiciliar.

Embora sensores médicos para uso externo, como em bombas de infusão, tendam a representar um desafio tecnológico menor do que sensores implantados no paciente, eles ainda precisam atender a requisitos complexos. Mesmo com a redução do tamanho do dispositivo para maior portabilidade, os usuários ainda esperam funcionalidade e precisão dos sistemas. Para projetar dispositivos médicos pequenos, mas precisos, peças componentes como sensores também devem oferecer recursos robustos a um baixo custo. Além disso, a confiabilidade é essencial para a maioria das aplicações de bombas médicas, especialmente na infusão de fluidos críticos.

Um sensor de força é um sensor cujas propriedades mudam quando uma força, pressão ou estresse mecânico é aplicado. Há diversas tecnologias que podem ser utilizadas no design e fabricação de um sensor de força. A TE Connectivity projeta e fabrica sensores de força para aplicações que exigem alto desempenho ou montagens exclusivas, incluindo dispositivos e equipamentos médicos. Os sensores de força da TE se baseiam em uma tecnologia proprietária de extensômetros de silício piezorresistivos (Microfused) que combinam durabilidade e estabilidade a longo prazo em montagens de custo extremamente baixo. Os sensores de força (também chamados de células de carga) são usados em uma variedade de aplicações médicas, incluindo bombas de infusão. Outras aplicações no mercado médico incluem fisioterapia, leitos hospitalares (peso do paciente), grampeadores cirúrgicos, aparelhos de auxílio à reanimação cardiopulmonar (RCP) para tratamento médico de emergência, bem como monitoramento de tanques de oxigênio.

O efeito piezorresistivo é amplamente utilizado na tecnologia de sensores. Esse efeito é uma mudança na resistividade elétrica de um semicondutor ou metal quando um estresse mecânico é aplicado. Um sensor de força piezorresistivo contém vários wafers finos de silício embutidos entre superfícies protetoras. A superfície está conectada a uma ponte de Wheatstone, um dispositivo usado para detectar pequenas diferenças de resistência. A ponte de Wheatstone faz passar uma pequena quantidade de corrente pelo sensor. Quando a resistência muda, a corrente que passa pelo sensor também muda. A ponte de Wheatstone detecta essa variação e registra uma mudança na pressão.

A tecnologia proprietária de fabricação do Microfused da TE se baseia em extensômetros piezorresistivos de silício microusinados fundidos, por colagem de vidro a alta temperatura, a um substrato de aço inoxidável de alta performance. Esse processo maduro e confiável já forneceu milhões de sensores de força e é uma tecnologia comprovada em diversas aplicações médicas. A tecnologia Microfused elimina os epóxis orgânicos de vida útil limitada usados em projetos tradicionais de células de carga, proporcionando assim excelente durabilidade a longo prazo e estabilidade zero. Como medem força direta, as células não estão sujeitas a problemas de fadiga da pastilha condutora comuns nos

design dos concorrentes, que usam uma cápsula de pressão embutida em uma cavidade preenchida com gel de silicone. Operando com deformações muito baixas, a tecnologia Microfused fornece uma expectativa de ciclo de vida basicamente ilimitada, resolução superior, alta frequência de resposta e recursos superiores de medição acima da faixa. No geral, os sensores de força Microfused demonstraram robustez e confiabilidade em uma ampla gama de dispositivos médicos.

Os exemplos a seguir descrevem alguns produtos para ilustrar os princípios de operação. No sensor de força FS20, um coletor de carga em forma de disco no topo da célula é exposto ao estresse mecânico causado pela pressão do fluido na bomba. O coletor de carga metálica atua como um ponto de trabalho. Ele sofre uma deflexão de cerca de 0,05 milímetros na carga nominal. Um extensômetro de silício piezorresistivo é fixado sob o coletor de carga. Quando o extensômetro é exposto ao estresse pela deformação elástica do coletor de carga, a resistência da estrutura do extensômetro muda. Essa mudança é processada em um circuito integrado e transmitida ao terminal de saída. O zero e o alcance da célula são normalizados para garantir a permutabilidade do sensor. Sensores de força em miniatura do tipo FS20 oferecem uma combinação particularmente interessante de características eletromecânicas e econômicas.

A célula FS20, que está em conformidade com o RoHS, está disponível em duas versões com até 750 gramas ou até 1.500 g de faixa de força. Uma saída de alto nível, baixo ruído, erros baixos de carga descentralizada e alta capacidade de medição acima da faixa (até 2,5x), combinados a resultados rápidos e precisos (± 1% de amplitude) e compensação de temperatura para uma faixa entre 0 °C e 50 °C, fazem desta célula uma excelente opção para o monitoramento de bombas. Como a deflexão do coletor de carga é muito pequena, a célula tem uma expectativa de ciclo de vida basicamente ilimitada. O design compacto da célula (25,1 x 17,27 x 8,26 mm) permite seu uso em uma ampla gama de aplicações de espaço restrito, como bombas de infusão e outras aplicações médicas portáteis. 

O sensor de força em miniatura FC22 se baseia no mesmo princípio operacional, mas sua área de trabalho é menor para facilitar a medição de cargas pontuais. O fator de forma da célula e a conexão do cabo oferecem diferentes opções de integração. A célula FC22 também está disponível em uma versão de ponte em milivolts.

O sensor de compressão FX1901, em conformidade com o RoHS, é usado, por exemplo, em fisioterapia, para medir o peso do paciente (em balanças) e em equipamentos de quiropraxia e exercícios. Cinco faixas de medição abrangem cargas máximas de 10 lbf a até 200 lbf (aproximadamente 5 kg a 100 kg). O sinal de saída analógico relativo à tensão de entrada é de 20 mV/V (20 mV de saída para cada 1 V de tensão de entrada). Essa célula de carga com precisão de 1% tem um design econômico.

A FX29 é a mais moderna e inovadora célula de carga da TE. Ela oferece vários recursos novos e aprimorados e, devido a muitas mudanças no design, estará disponível a um custo significativamente menor do que os modelos anteriores. A FX29 é uma célula de carga de compressão em miniatura projetada para aplicações embutidas de medição de força. O sensor incorpora a tecnologia Microfused de alta confiabilidade aos elementos de força e é oferecido em faixas de 10 lbf a 200 lbf. A FX29 expandiu os tipos de saída disponíveis e inclui opções de saída em mV, amplificada e digital. A incorporação de circuitos digitais proporciona maior precisão geral ao sistema. Além disso, as baixas faixas de medição disponíveis permitem o uso dos sensores em uma gama mais ampla de aplicações. A proteção contra medição fora da faixa protege o sensor contra surtos e picos no sistema, e a baixa deflexão com alta sensibilidade à saída significa menos estresse no diafragma de detecção, o que torna a FX29 ideal para aplicações médicas exigentes.

A detecção de bolhas é uma função crítica em aplicações como bombas de infusão, hemodiálise e monitoramento do fluxo sanguíneo, onde a interrupção no desempenho pode ser fatal. Detectores de bolhas ultrassônicos usam tecnologia sem contato para identificar bolhas de ar e líquidos em tubos de infusão. Eles são amplamente utilizados em aplicações como transferência e infusão de líquidos em bombas médicas, além de produtos farmacêuticos e pesquisas industriais e científicas.

O sensor AD-101 da TE para monitoramento contínuo e não invasivo de fluido e detecção de bolhas de ar usa tecnologia ultrassônica para identificar positivamente uma interrupção no fluxo de qualquer tipo de líquido. Com recursos como autodiagnóstico contínuo e flexibilidade de montagem, esses sensores fornecem detecção de bolhas confiável e precisa para aplicações críticas como bombas de infusão.

Como mostrado abaixo, os detectores de bolhas de ar, como o AD-101 da TE, são projetados para instalação diretamente na tubulação usada para infundir um líquido no paciente. O detector de bolhas contém um transdutor piezoelétrico embutido que emite um sinal ultrassônico do tipo tone burst. O sinal passa pela tubulação e seu conteúdo. Um receptor piezoelétrico capta o sinal ultrassônico. Como a propagação de ultrassom é eficiente em líquidos, o sinal só será forte quando houver líquido presente na tubulação. Bolhas de ar não transmitem ondas de ultrassom de forma eficiente, de modo que o sinal é enfraquecido por qualquer bolha. Um circuito interno mede a amplitude do sinal do receptor e fornece a saída apropriada. O detector ultrassônico de bolhas de ar é um dispositivo não invasivo sem contato direto com o líquido. O AD-101 pode ser usado com tubulações de 3 mm a 10 mm ou ser personalizado para se adequar a tamanhos incomuns de tubulação. O tempo de resposta é inferior a 2 ms, fornece um nível de lógica de saída TTL de 3,3 V e tem um LED integrado que indica visualmente a detecção de bolhas.

O AD-101 também possui recursos incorporados de autodiagnóstico que monitora continuamente o funcionamento do sensor. O sensor pode ser operado em qualquer posição com líquido fluindo para cima, para baixo ou em qualquer ângulo. A gravidade não afeta a capacidade de detecção.

Os designs das bombas de infusão estão se tornando mais sofisticados, com adição de recursos e diagnósticos. Isso exigirá o uso de sensores adicionais e de melhor desempenho. Dois outros usos de sensores em bombas médicas são os sensores de posição, para realimentação do motor e diagnósticos, e os sensores de temperatura, para monitoramento e controle dos líquidos de infusão.

Os sensores de posição magneto resistivos anisotrópicos (AMR – Anisotropic Magneto Resistive) são dispositivos precisos e sem contato que medem alterações no ângulo do campo magnético, conforme detectado pelo sensor. Os sensores magnéticos da TE oferecem medições precisas de posição sem contato em ambientes adversos. Por exemplo, as características únicas do efeito AMR permitem medir deslocamentos de submicrômetros em codificadores lineares de precisão. A tecnologia AMR também é usada com sucesso para detecção de presença, como a detecção do ponto de extremidade em cilindros pneumáticos. A tecnologia AMR é uma maneira robusta e de baixo custo de monitorar movimentos lineares ou rotativos e permite realimentação de posição precisa para vários dos motores usados para acionar bombas de infusão. Esses produtos duráveis são projetados para fornecer precisão de saída aprimorada para o controle suave do motor. Seu pequeno tamanho muitas vezes reduz os custos de substituição e permite o design em muitos conjuntos compactos, automatizados e de menor custo.

No que diz respeito ao sensor de temperatura, já se demonstrou que a administração intravenosa de fluidos intraoperatórios e a transfusão de produtos sanguíneos têm efeitos consideráveis na temperatura corporal. Assim, é importante monitorar e controlar a temperatura dos fluidos. Normalmente, são usados aquecedores de fluidos na infusão de fluidos por via intravenosa, e os sensores de temperatura são integrados como parte desses sistemas para monitorar e controlar a temperatura do fluido. Embora muitas das unidades de aquecimento sejam separadas e externas à bomba de infusão, existe um impulso para integrar essa opção em novos designs de bombas.

A TE Connectivity projeta e fabrica uma ampla gama de componentes e montagens para detecção de temperatura que têm sido usados em inúmeras aplicações médicas invasivas e não invasivas, monitorando todos os tipos de temperatura, desde a corporal interior até a do gás criogênico usado em balões de angioplastia.

A TE projeta e fabrica uma ampla gama de sensores utilizando diversas tecnologias diferentes que são fundamentais para o monitoramento e controle de sistemas eletrônicos em várias aplicações na área médica. Um equipamento importante no tratamento de pacientes é a bomba médica e, mais especificamente, a bomba de infusão. Os sensores da TE são usados para as seguintes funções em bombas de infusão:

• Os sensores de força detectam oclusões para confirmar a ausência de bloqueios na tubulação que fornece medicamentos ao paciente.
• Os detectores de bolhas de ar podem identificar positivamente uma interrupção no fluxo de qualquer tipo de líquido.
• Os sensores de posição magneto resistivos anisotrópicos (AMR) monitoram a posição angular ou linear dos motores da bomba médica.
• Os sensores de temperatura monitoram e controlam a temperatura de líquidos sendo infundidos no corpo do paciente.

Os OEMs de dispositivos médicos estão buscando produtos que sejam confiáveis e tenham tamanho apropriado (miniaturizados), menor custo e melhor desempenho geral. Exemplos de áreas de aplicação médica que usam sensores de força incluem:

• Sistemas ambulatoriais de distribuição de medicamentos, muitos dos quais dependem da detecção de força como tecnologia primária para o controle de realimentação.
• Procedimentos cirúrgicos, que são rapidamente melhorados com a disponibilidade de sensores de força/torque de baixo custo e alta confiabilidade para obtenção de medições precisas. Grampeadores cirúrgicos e dispositivos de cirurgia ocular, que estão sendo equipados com sensores de força para permitir procedimentos cirúrgicos mais rápidos e precisos.
• Bombas para irrigação e limpeza dos sítios para cirurgia de joelho e ombro, com uso crescente de sensores de força para otimização da vazão.
• Células de carga, agora amplamente utilizadas na medição do peso para administração de soro intravenoso.

A detecção de bolhas é fundamental em aplicações como bombas de infusão, hemodiálise e monitoramento de fluxo sanguíneo. O detector de bolhas de ar AD-101 da TE oferece:

• Funções de autodiagnóstico, contínuo e quando o aparelho é ligado
• Flexibilidade para personalização de acordo com o tamanho da tubulação
• Eletrônica integral que permite o design compacto do produto com integração fácil
• Desempenho comprovado de 20 anos de venda de sensores em todo o mundo

A Te projeta e fabrica sensores para uma grande variedade de aplicações médicas. A TE oferece certificação ISO13485 e registro do FDA para vários sensores e montagens. Nossa rede global de engenheiros projeta sensores para aplicações específicas, desde o conceito até a fabricação do produto. A equipe dedicada de sensores médicos da TE oferece prototipagem rápida para o desenvolvimento rápido do produto e suporte durante todo seu ciclo de vida.