wersja mobilna
Online: 457 Niedziela, 2016.09.25

Biznes

Czujniki MEMS w medycynie

poniedziałek, 23 czerwca 2008 10:16

Systemy oparte o układy MEMS coraz częściej znajdują zastosowanie w urządzeniach medycznych. Jest to spowodowane postępującą miniaturyzacją, która w coraz większym stopniu obejmuje również aplikacje tego typu. Sensory bezwładnościowe oraz czujniki położenia są więc stosowane już nie tylko w rozwiązaniach domowej automatyki i systemach diagnostycznych.

Rys. 1. Prognozy zmian wartości rynku czujników MEMS. Dane w mld dol.

Wartość światowego rynku czujników MEMS w 2005 roku była szacowana na blisko 5 mld dol. W 2006r. wynosiła już około 8 mld dol. Przewiduje się, że w 2010 roku wartość ta wzrośnie do około 12,5 mld dol., co oznaczałoby średni roczny wzrost na poziomie 20%. W 2006 roku aplikacje medyczne stanowiły około 13% zysku w skali całego rynku MEMS. W 2011 roku szacowany zysk ma wynieść 11%. Ocenia się, że akcelerometry, czyli sensory MEMS najczęściej wykorzystywane w zastosowaniach medycznych, odnotują w latach 2005-2010 wzrost rzędu 45% i staną się prawdopodobnie drugim największym segmentem rynku czujników mikroelektromechanicznych.

Najważniejsze cechy

Wiele aplikacji medycznych zaczyna wykorzystywać czujniki inercyjne. Specyfika zastosowania wymaga jednak konkretnych właściwości. Sensory wykonywane w technologii MEMS charakteryzują się parametrami najbardziej pożądanymi, czyli niskim poborem energii i niewielkimi wymiarami oraz wysoką niezawodnością. Dzięki temu rozwiązania te cieszą się popularnością i coraz częściej znajdują zastosowanie w małych, wysoce niezawodnych i energooszczędnych urządzeniach używanych w medycynie. Największe zapotrzebowanie na ten typ czujników dotyczy urządzeń służących do monitorowania stanu zdrowia ludzi cierpiących na choroby serca. W zastosowaniu tym sprawdzają się zwłaszcza sensory ruchu.

Przykłady rozwiązań

Fot.1. 2-osiowy akcelerometr wykorzystywany w ciśnieniomierzach nadgarstkowych

Przykładem urządzeń, które bezwzględnie muszą spełniać powyższe wymagania są na przykład stymulatory serca. Czujnikiem tego typu jest np. produkt firmy Endevco, Model 40366. Jest to akcelerometr wykonany w technice SMT. Właściwości tego układu sprawiają, że dobrze sprawdza się on właśnie w takich medycznych aplikacjach jak wspomniane stymulatory serca z funkcją adaptacji częstotliwości stymulacji. Model 40366 to czujnik pojemnościowy zamknięty w hermetycznej obudowie o wymiarach 2,05x2,90mm, charakteryzujący się powtarzalnością rzędu 0,035pF. Przyspieszenie wzdłuż danej osi powoduje wychylenia ruchomej belki na skutek działania sił bezwładności. Belka, która jest jednocześnie okładką kondensatora tworzy wraz z pozostałymi nieruchomymi okładkami układ kondensatora różnicowego. Przyspieszenie przekłada się więc na zmianę pojemności.

Czujniki przepływu

Fot.2. Czujnik przepływu D6F wykonany w technologii MEMS

Inne przykłady stosowania sensorów MEMS to między innymi koncentratory tlenu, wziewne metody znieczulenia oraz aplikacje medyczne, w których wymagany jest pomiar prędkości przepływu gazu. Przykładem najnowszego rozwiązania jest seria D6F firmy Omron Electronics. Producent deklaruje zakres mierzonych prędkości gazu od 1mm/s do 40m/s. W czujnikach tych wykorzystywana jest zasada pomiaru, która opiera się na przemianie energii cieplnej w elektryczną. Wykorzystanie termoelementów ma wiele istotnych zalet, takich jak mniejszy koszt, mniejszy pobór mocy, większa dokładność pomiaru i czułość. D6F pracują w zakresie temperatur od -10°C do +60°C i mogą być zasilane napięciem stałym do 12 do 24VDC. Pobór prądu wynosi 15mA. Ponieważ w przeciwieństwie do rozwiązania firmy Endevco, nie są to już układy dedykowane do zastosowania w implantach medycznych, seria D6F jest produkowana w rozmiarach 15x20x60mm.

Monitorowanie stanu pacjenta

Sensory ruchu są wykorzystywane także w systemach diagnostycznych i monitorujących stan pacjenta. W 2007 roku firma STMicroelectronics wprowadziła na rynek liniowy akcelerometr „low-g” LIS244AL, o zakresie pomiarowym ±2g. Układ charakteryzuje się niskim poborem mocy oraz niewielkimi rozmiarami (4x4x1,5mm). Dzięki temu sprawdza się w urządzeniach zasilanych bateryjnie. LIS244AL jest 2-osiowym czujnikiem wykonanym w technologii MEMS. Informacja o zmianie przyspieszenia w obu kierunkach jest doprowadzana na wyjście analogowe w czasie rzeczywistym. Firma STMicroelectronics ma w swojej ofercie także układy LIS302. Jest to seria 3-osiowych akcelerometrów, które znajdują zastosowanie w zarządzaniu poborem mocy przez urządzenia włączane/wyłączne na skutek ruchu lub dotyku. W aplikacjach medycznych sensory tego typu mogą monitorować poziom aktywności pacjenta lub jedynie wykrywać zmianę jego pozycji. Obecnie nawet starsze rozwiązania, takie jak akcelerometry ADXL330 są stosowane w medycynie – np. w przenośnych defibrylatorach. Ponadto dwuosiowy akcelerometr ADXL311 jest aktualnie używany w elektronicznych ciśnieniomierzach nadgarstkowych. Czujnik określa w tym wypadku pozycję, w jakiej znajduje się ramię pacjenta. Umożliwia to znacznie dokładniejszy pomiar ciśnienia krwi.

Podsumowanie

Technologia czujników mikroelektromechanicznych jest obecnie na takim poziomie, że możliwe staje się wykorzystanie tych elementów w masowej produkcji, między innymi ze względu na ich cenę. Również w medycynie obserwuje się olbrzymi postęp. Wpływa to na rozwój technologii MEMS i zmusza konstruktorów do poszukiwania wciąż nowych rozwiązań oraz adaptacji dotychczasowych struktur, tak aby były one w stanie nadążyć za najnowszymi osiągnięciami medycyny.

Monika Jaworowska

 

World News 24h

sobota, 24 września 2016 19:51

Tesla Motors Inc sued Michigan Governor Rick Snyder and other state officials in federal court over the state's refusal to allow the Palo Alto, California automaker to sell vehicles directly to consumers. The suit at U.S. District Court in Michigan comes days after the state rejected the electric vehicle manufacturer's application to directly sell vehicles to consumers. Unlike other automakers, Tesla does not sell vehicles through franchised dealers.

więcej na: www.reuters.com