Sensor Cerdas: Mengubah Perawatan Medis Modern

Selama 75 tahun terakhir, sensor telah memainkan peran yang semakin signifikan dalam perkembangan kedokteran.

Sensor medis untuk memantau tanda vital orang, termasuk suhu, tekanan darah, detak jantung, dan frekuensi pernapasan telah menjadi semakin canggih. Namun, sensor juga berguna untuk mengukur tanda vital peralatan medis.

Pemantauan Suhu

Termometer kaca tabung telah digunakan selama dekades untuk mengukur suhu tubuh. Pada tahun 1970-an, mereka diganti dengan versi elektronik dengan layar digital. Peralatan ini invasif minimal dan harus dimasukkan ke dalam tubuh pasien.

Saat ini, perangkat yang paling umum adalah sensor suhu non-kontak berbasis termopil, yang beroperasi seperti kamera inframerah kecil. Mereka mengukur energi termal yang dipancarkan oleh kulit dan memberikan sinyal output yang proporsional dengan suhu kulit. Mereka dapat mengambil bacaan dalam beberapa detik, dan karena non-kontak, dapat membantu menghindari penyebaran bakteri dan virus.

Dikemas dalam kotak teredam udara kecil TO-5 atau TO-18, mereka dapat dengan mudah dipasang pada papan sirkuit. Termopil adalah array miniatur dengan puluhan atau ratusan elemen termokopel pada sirkuit silikon. Sirkuit dirancang sehingga juncinya di sisi atas terpapar radiasi IR yang masuk sementara sisi bawah terpasang pada header logam dan tetap pada suhu sekitar. Termokopel disambungkan beruntun sehingga outputnya saling menambah. Jumlah sinyal memberikan output yang dapat digunakan dengan amplitudo dalam puluhan milivolt.

Tampilan irisan vertikal termopil tipikal ditunjukkan pada Gambar 2. Sirkuit dipasang sehingga “melihat” melalui jendela yang transparan hanya untuk panjang gelombang inframerah. Ini membantu menghindari gangguan dari cahaya terlihat. Ketika energi termal dari objek yang dipanaskan (atau didinginkan) masuk ke jendela, ia mengenai array termokopel dan mengubah suhu permukaan atasnya dari suhu sekitar. Sensor suhu referensi terpisah dipasang pada header logam untuk mengukur suhu sekitar, sehingga sinyal diferensial antara termopil dan referensi dapat digunakan untuk menghitung suhu aktual objek yang diukur. Dengan beberapa pengolahan sinyal dan kompensasi berikutnya, akurasi dalam rentang ±1% – ±2% mudah dicapai.

Pemantauan Tekanan Darah Arteri

Manikam tekanan darah praktis dikembangkan pada tahun 1905 dan digunakan hingga hari ini. Sfingmomanometer modern mudah digunakan, tetapi hanya memberikan pengukuran tidak langsung dengan rentang akurasi yang luas. Manikam tekanan darah manual di tangan operator yang terlatih dapat mencapai akurasi hampir 98%. Peralatan tekanan darah elektronik dan digital biasanya mencapai akurasi 70%. Dalam kedua kasus, mereka hanya memberikan bacaan rata-rata.

Dalam prosedur medis yang baru dikembangkan, ditemukan bahwa bacaan tekanan darah langsung di lokasi operasi memberikan data yang lebih baik bagi ahli bedah dan hasil yang lebih baik bagi pasien. Unit Bisnis Sensor TE Connectivity baru-baru ini memperkenalkan sensor tekanan darah mikro Intrasense mereka. Fitur paling mencoloknya adalah ukuran yang sangat kecil — dimensi keseluruhan 800 µm panjang x 270 µm lebar x 70 µm tinggi.

Intrasense adalah sensor tekanan absolut berbasis MEMS dengan rentang klinis -300 mmHg hingga +500 mmHg. Desain half bridge menggunakan dua elemen piezoresistif pada die MEMS yang mengubah nilai resistensinya saat tekanan diterapkan. Sinyal dikirimkan ke papan sirkuit amplifikasi dan kompensasi di ujung dekat kawat 300 mm.

Sensor dapat ditempatkan di ujung kateter atau kawat pemandu yang sangat halus, dan kemudian digunakan di lokasi jarak jauh di dalam tubuh, seperti kamar jantung, arteri intrakranial, atau bahkan di dalam ginjal, selama prosedur bedah kritis.

Pemantauan Detak Jantung dan Frekuensi Pernapasan

Dalam kolaborasi dengan Stanford Research Institute (SRI), TE Connectivity telah mengembangkan demonstrasi kursi cerdas yang dapat mengukur baik detak jantung maupun frekuensi pernapasan seseorang yang hanya duduk diam di dalamnya. Kursi memiliki elemen film piezo polimer yang ditempatkan secara strategis di kursi dan sandaran. Elemen pengindera ini mendeteksi detak jantung dan pernapasan.

Film piezo polimer adalah bahan unik yang terbuat dari polyvinylidenida fluorida (PVDF). Dengan teknik manufaktur khusus, film ini dapat dibuat piezoelektrik, properti di mana bahan menghasilkan muatan listrik ketika mereka tertahan pada stres mekanis. Film ini sangat tipis (28μm), lentur, dan dengan mudah mengikuti serta mendeteksi beban stres di dalam bantal kursi ketika seseorang duduk.

Selama pernapasan, pusat gravitasi tubuh bergerak sedikit ketika rangka dada mengembung dan menyusut dengan setiap napas. Elemen piezo di kursi mendeteksi perubahan dinamis ini dan memberikan sinyal yang dapat digunakan kepada elektronika. Untuk detak jantung, sensor menggunakan balistokardiografi, yaitu deteksi gelombang tekanan normal terhadap kulit yang dihasilkan oleh denyutan arteri. Versi mendatang dari demonstrasi ini akan menambahkan sel beban ke kaki kursi, sehingga penghuni dapat ditimbang. Menambahkan beberapa sensor piezo juga akan membantu mendeteksi ukuran fisik penghuni. Bersama dengan data berat, indeks massa tubuh (BMI) dapat dihitung. Kursi ini menjadi alat yang luar biasa untuk aplikasi perawatan kesehatan di rumah karena tidak diperlukan profesional medis yang terlatih, dan pemeriksaan mini dapat dilakukan kapan saja — cukup duduk dengan tenang dan bersantai.

Pemantauan Sendiri Peralatan Medis

Mesin medis terapeutik dan bedah harus beroperasi dengan tingkat akurasi yang sangat tinggi. Untuk memastikan instrumen beroperasi dengan baik, para desainer sekarang menambahkan sensor yang melacak fungsi mesin kritis. Sensor ini dapat beroperasi dengan dua cara. Mereka dapat dibuat bagian dari loop umpan balik dan kontrol yang mengukur parameter dan kemudian menyesuaikan peralatan untuk menjaga operasi dalam rentang yang ditentukan. Sensor juga dapat digunakan sebagai alarm batas. Ketika parameter keluar dari spesifikasi atau mesin mengalami gangguan, sensor memperingatkan operator tentang kondisi kesalahan dan bahkan dapat mematikan mesin untuk melindungi keselamatan pasien.

Sensor yang tertanam dalam ventilator medis modern adalah contoh yang baik dari teknik ini. Diagram blok pada Gambar 5 menunjukkan kerja dalam mesin tipikal. Perhatikan bahwa semua kecuali satu sensor memantau fungsi ventilator. Sensor CO2 adalah satu-satunya yang memantau fungsi pasien.

Perawatan Kesehatan di Rumah

Ada tren dalam kedokteran untuk memindahkan pasien dari rumah sakit ke lingkungan perawatan kesehatan di rumah. Pasien lebih nyaman di rumah. Mereka mendapatkan perhatian dari perawat yang dikenal dan pulih lebih cepat dari penyakit. Sensor yang tertanam dalam peralatan perawatan kesehatan di rumah membuat mesin andal, mudah dioperasikan, dan menghilangkan kebutuhan akan perhatian konstan dari profesional medis. Hasilnya adalah keselamatan pasien yang ditingkatkan dan hasil medis yang lebih baik.

Masa Depan

Pekerjaan sedang berlangsung di seluruh industri medis untuk menyatukan lebih banyak sensor ke dalam mesin dan prosedur yang digunakan oleh dokter dan tim mereka. Penambahan sensor membantu mengawasi fungsi dan kinerja peralatan, yang memungkinkan profesional medis untuk mengalihkan perhatian mereka ke pasien dan menciptakan hasil klinis yang lebih baik. Baik digunakan untuk memantau pasien, atau memantau mesin medis yang digunakan untuk merawat pasien, penggunaan sensor yang semakin meningkat akan membawa manfaat signifikan bagi dunia kedokteran.

Artikel ini ditulis oleh Pete Smith, Manajer Senior, Dukungan Pemasaran dan Penjualan, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Schaffhausen, Swiss/Berwyn, PA). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Tn. Smith di [email dilindungi], atau kunjungi di sini .