Meilleure compréhension des avantages de la technique des jauges de contrainte appliquée aux appareils médicaux et aux équipements OEM

Les capteurs à jauges de contrainte fabriqués sur demande permettent d'accroître l’efficacité des systèmes chirurgicaux robotisés et des appareils de mammographie, pour le bien des patients.

Introduction

Aujourd'hui, le marché est de plus en plus concurrentiel dans le domaine des appareils médicaux et chez les fabricants de matériels (OEM). C’est pourquoi les concepteurs et ingénieurs choisissent d’intégrer, dans leurs machines des capteurs à jauges de contraintes spécifiquement fabriqués pour eux, afin de réaliser un plus grand nombre d’affaires. Les possibilités, la précision et la durée de vie prolongée de ce type de technologie ont été largement éprouvées en clientèle pour ce genre d’applications. L’autre avantage parfaitement mesurable est la satisfaction des clients sans cesse croissante dans la performance du système global, permettant à l'OEM d'ajouter que « un avantage concurrentiel supplémentaire » à leur résultat, augmentant de ce fait leurs ventes et leur « taux de succès » pour les contrats et projets importants. La technique des jauges de contrainte contribue également à des améliorations drastiques sur les possibilités de diagnostic des équipements ; une diminution des temps et coûts d'entretien nécessaires, grâce à peu de panne et finalement apporte une qualité de soin aux patients. En soi, la technologie des jauges de contrainte est souvent considérée comme un « secret de succès » technologique parmi les OEM.

Avec plus de 60 ans d'expérience et de succès dans la conception, le développement et la fabrication des jauges de contraintes spécifiques aux appareils et équipements médicaux, HBM a été l’industrie pionnière sur ce marché, en augmentant ses possibilités de fabrication interne et sa propre expertise pour gagner et réussir des centaines d'applications. Pour vraiment saisir les avantages de la technique des jauges de contrainte, il est important de comprendre dans un premier temps la construction et le fonctionnement de la jauge de contrainte elle-même. Cet article présente une vue d'ensemble de la technologie des jauges de contrainte et de ses applications pratiques au sein de la fabrication d'appareils et d’équipements médicaux. Il explique également les processus typiques pour lesquels la réalisation sur commande de jauges de contrainte est la solution de mesure appropriée dans la conception des appareils médicaux et que ces appareils sont grandement améliorés grâce à l’intégration de ces jauges.

Qu'est-ce qu'une jauge de contrainte

Conception typique d'un circuit en pont de Wheatstone

Typiquement, les jauges de contrainte mesurent avec précision de très petites déformations. En conséquence, les variations de la résistance de la jauge sont également très petites et ne peuvent pas être mesurées directement avec un ohmmètre par exemple. La jauge de contrainte doit, donc, être incluse dans un système de mesure où la détermination précise d'un changement de résistance soit possible. Pour cela, un montage en pont de Wheatstone doit être créé. Le premier élément dans le montage en pont de Wheatstone est constitué par la jauge de contrainte elle-même. Elle convertit la déformation mécanique en variation de résistance électrique.

La jauge de contrainte et le circuit de mesure sont, d’un point de vue physique, des composants passifs. Chaque jauge de contrainte est alors câblée dans un pont équilibré, se composant de deux parties de valeur résistive égale, disposées dans un montage en pont de Wheatstone. (HBM construit également des jauges conçues en ¼ et ½ pont, ce qui exigent d'avoir un ensemble de résistances fixes en complément pour fermer le pont de Wheatstone.) Indépendamment de la configuration du pont, une tension d’alimentation doit traverser la jauge pour alimenter le circuit. Le circuit doit avoir une source d'alimentation en entrée pour obtenir un signal utile. Cette alimentation auxiliaire est prise d'une source séparée. Une tension électrique constante est la plus utilisée généralement.

Quand il y a un changement de résistance de la jauge de contrainte, provoquée par une déformation, la moindre petite valeur de variation est détectée, le montage en pont perd sa parfaite symétrie et se déséquilibre aisément. Une tension de sortie est alors obtenue, proportionnelle à l'état de déséquilibre du pont. S'il n'y a aucun changement de résistance, la tension de sortie sera nulle le signal de mesure est à est donc à zéro. En moyenne, une jauge de contrainte mesurera 1/10.000 micro déformation ; ce qui est suffisant pour détecter une vibration de1 -dB à travers une salle de 10 pieds. Ainsi, les possibilités de mesure pour les différentes jauges de contrainte sont littéralement infinies. Un amplificateur doit être inséré dans la chaîne de mesure pour traiter le signal du pont de jauges et amplifier ce signal à un niveau qui soit exploitable par les afficheurs existants ou le convertir en numérique pour les ordinateurs. Parfois, certains amplificateurs sont également conçus pour donner un résultat proportionnel à la sortie tension du pont. HBM propose une série d'options en sortie pour pouvoir s’adapter aux différents besoins en OEM.

Intégration des jauges de contrainte dans les appareils et équipements médicaux OEM

Le processus des appareils médicaux dans lesquels les concepteurs ont intégré des jauges de contrainte peut être hautement spécialisé. La réalisation est souvent sujette aux besoins de l’industrie ou aux règlementations gouvernementales, qui peuvent directement influencer les conditions de conception finale.

Chez HBM, après un briefing technique sur le fonctionnement de la technologie et des discussions avec le client sur les normes réglementaires applicables, une première conception est étudiée et un premier prototype de capteur est construit. Ce processus inclut une analyse détaillée de l'application et des recommandations pour avoir le meilleur type de jauge pour que le produit puissent atteindre de très bonnes performances, avec des géométries diverses, des trous et coupe-circuits, des résistances, des fils et autres options. En utilisant l'analyse par éléments finis et d'autres outils de conception avancés, l'emplacement idéal de la jauge sur le prototype est identifié. Puis, la jauge est installée dans des conditions de fonctionnement spécifiques. En tant qu'élément sensible, le concepteur affaiblira judicieusement le corps d’épreuve du prototype pour permettre des déflections spécifiques lorsqu’une charge est appliquée, permettant à ce corps d’épreuve d’imiter les propriétés du comportement structural dans des conditions d’utilisation réelles. Il est alors étalonné et ajustée pour effectuer une mesure parfaite, précise et que l'on peut répéter. L'essai en interne de ces pièces doit également être accompli selon les normes industrielles et les directives OEM. Une fois qu'un prototype réussi est construit, testé et accepté par le client, il est lancé en production.

HBM a des possibilités uniques en interne pour fabriquer des quantités d’éléments équipées de jauges dans des délais de réalisation inférieurs à 24 heures en partant de l’analyse du besoin jusqu’au développement du prototype. Selon le calendrier et les quantités demandées, les éléments sensibles peuvent être produits dans l’une des trois usines HBM, située aux Etats-Unis, ou en Europe ou en Asie. HBM peut également fournir n'importe quelles pièces d’introduction de la charge, avec des possibilités de tests complémentaires en interne pour assurer la conception, le développement et l'exécution d'un assemblage précis.

Un fabricant d’appareils médicaux en OEM peut également choisir de fabriquer lui-même le capteur final à partir d’un élément prototype équipé de jauges. Cependant, les avantages, stratégiques, d'un fabricant de jauge de contrainte en termes d’expertise en interne, permet au client d'avoir une complète assurance d’avoir une grande qualité des capteurs et une très bonne uniformité de fabrication. Chaque capteur est testé selon les mêmes normes internes et rigoureuses que celle du prototype initial. Le fournisseur est engagé sur la précision et la fiabilité du composant fabriqué et ses délais de livraison correspondent avec le planning de fabrication du capteur. Cette réduction de prise de risque de production peut finalement faire économiser un temps inestimable, réduire les coûts et les ressources du fabricant de l’appareil médical.

Applications réussies

La solution technique à partir de jauges fabriquées sur demande est employée à la fois dans des applications critiques et peu critiques concernant les appareils et équipements médicaux, allant des systèmes robotisés de haute précision utilisés en chirurgie jusqu’aux balances destinées au pesage des patients et aux mesures de pression et d'écoulement des pompes médicales. Voici, quelques principaux exemples parmi les centaines d'applications réussies avec les jauges de contrainte développées par HBM :

Imagerie médicale non invasive et équipements de diagnostique

Scanner CT pouvant avoir un déplacement plus régulier et cohérent avec un bon positionnement de la table grâce au capteur à jauges multiaxial placé dans la machine.

Scanners CT

Les scanners CT exigent que la table soit fortement repositionnable à répétition, que la répartition du poids du patient soit parfaite et que le déplacement soit précis. La précision est exigée afin de répondre aux les fonctions de créer une image très précise tout en empêchant le dépassement du patient placé dans le tube du scanner. Dans cet environnement, l'incorporation d'un élément de mesure multiaxial équipé de jauges de contrainte s'est avéré être un moyen de mesure efficace pour s’assurer du meilleur mouvement et positionnement qui soit sans heurt et il est entièrement adapté à la table tout en répartissant la charge du patient. Ces perfectionnements de conception, créés par l'intégration réussie des capteurs à jauges HBM, ont facilité la fabrication des scanners délivrant des images plus précises.

L'utilisation des capteurs de force bi-axiaux et tri-axiaux peuvent aider au confort de la patiente et donner une image de résolution très élevée pendant une mammographie.

Appareils de mammographie

En tant qu’appareil d’imagerie non invasive, les appareils de mammographie sont en général, parmi les équipements médicaux, les plus utilisés par le personnel médical pour détecter les tumeurs du sein et les maladies liées. Pour ce type d'application, un équipement médical OEM a besoin d’un moyen pour surveiller la quantité de la force physique qui est appliquée par la machine elle-même de manière à pouvoir prendre une image. La solution proposée au client est de tenir compte de la résolution la plus élevée possible de l'image tout en maintenant la position de la patiente avec un certain confort et de prévenir un dépassement de la machine. Ce défi lancé par cette application a été résolu en employant à la fois des capteurs de force bi-axiaux et triaxiaux équipé de jauges de contraintes ainsi qu’un capteur multiaxes redondant. Les capteurs ont été montés sur la bride supérieure et inférieure de l’appareil de mammographie, formant une sorte de balance plate surveillant la flexion de la machine ; un arrêt mécanique a été placé pour empêcher le dépassement de l’appareil et pour mesurer en redondance. En conséquence, le fabricant OEM présente des améliorations de conception de ses appareils de mammographie qui offrent un positionnement plus précis, un meilleur confort à la patiente et une meilleure résolution d'image. D'autres applications médicales réussies de positionnement et de mouvement de machines avec la technique des jauges de contrainte HBM se retrouve par exemple dans le réglage des tables d'opération, des lits de chiropraxie et des fauteuils en chirurgie dentaire.

Applications de surveillance du poids

Un capteur de force spécifique client intégré dans le système de levage du patient peut aider à obtenir un meilleur contrôle du mouvement de levage.

Lèves malades

Les systèmes motorisés de soulèvement sont des moyens usités pour déplacer ou transférer des patients à partir de leurs lits dans les fauteuils roulants ou sur les chariots d’hôpital, mais aussi pour retourner les patients de manière à réduire au minimum le risque de développement des pneumonies et d’ulcères. Un système se compose d'un appareil manipulable installé au chevet du patient, qui est tiré pour activer le mouvement motorisé à la demande. Pour cette exemple d'application particulier, un fabricant OEM important d'équipements médicaux a contacté HBM pour avoir de meilleurs instruments pour surveiller correctement la répartition du poids, le centre de la gravité, la vitesse et l'uniformité des mouvements des systèmes motorisés de levage. En incorporant un capteur de force spécifique, équipé de jauges dans le système de levage auprès du lit, ce fabricant permet d’avoir un meilleur contrôle de la vitesse du déplacement : en appliquant une force proportionnelle à la manipulation, le personnel médical affecte la vitesse de levage de l’appareil de manière à l’utiliser facilement.

Pesage médical

Les balances médicales, comme celles exigées en pédiatrie, en médecine vétérinaire, pour la surveillance de la santé à domicile et dans le pharmaceutique, sont un parfait exemple d’application médicale OEM qui intègre avec succès la technologie des capteurs à jauges réalisés sur demande chez HBM. Les conditions extrêmement diverses de ce type de capteur vont des nombreuses possibilités de montage pouvant mesurer du nano déformation ou autres valeurs d’une fraction de gramme, pour des systèmes mesurant jusqu’à 200kg. Un exemple récent et réussi d'une application de pesage dans le médical OEM développée par HBM est l'intégration d’un capteur de pesage dans une plaque métallique équipant un pèse bébé. HBM a fabriqué le sous ensemble équipé et le client a simplement fourni le plateau supérieur pour constituer la balance entière.

Appareils médicaux peu invasifs

Une série de capteurs spéciaux multi-axiaux peuvent aider les fabricants OEM d'appareils de chirurgie robotisés a développer des systèmes plus précis et avec de meilleures performances.

Chirurgie robotisée effectuée à distance

Une récente tendance au sein de la communauté médicale d’Asie a été l'adoption de méthodes robotiques pour la chirurgie orthopédique. Dans ce type d'application, un médecin opère à distance un patient, tout en ayant les mêmes niveaux de précision et de précision qu'une procédure chirurgicale effectuée sur place. Pour suivre cette nouvelle demande d’équipements chirurgicaux robotisés, un important équipementier médical OEM a dû mesurer avec exactitude la profondeur de la force et la force rotationnelle de perçage pendant l’opération de chirurgie effectuée à distance sur la hanche. Le fabricant avait besoin de mesurer exactement à combien il perçait l’os selon les axes x, y et Z, tout en maintenant le positionnement du perçage d’une manière précise et répétitive. Dans ce contexte, le positionnement avec ou en dehors du mouvement de torsion du foret, est révélateur de la mesure du couple de rotation, avec des conditions de précision de dizaines de millièmes de pouce. Pour satisfaire ces conditions exigeantes, HBM a conçu et construit une série de capteurs à jauges multiaxiaux travaillant en compression et traction pour mesurer la force et le mouvement descendant et ascendant. Un autre capteur à jauges de contrainte a été monté dans une configuration perpendiculaire pour mesurer la pleine déflection et la régularité du mouvement de perçage, rassurant ainsi le patient installé sur la table d'opération. En conséquence, l'équipementier médical pouvait présenter un appareil chirurgical robotisé de très grande précision avec de plus grandes possibilités de précision et de performance.

Pompes médicales

Surveillance du flux d'insuline dans les pompes

Pour la surveillance du flux de fluide, un fabricant d'appareils médicaux s’est rapproché de HBM pour développer un capteur spécifique pour surveiller et commander la sortie du liquide dans une pompe d'insuline. La pompe est conçue pour un usage continu sur le patient et de lui fournir de l'insuline d’une manière incrémentale déterminée à partir du résultat donné en continu par un moniteur d’analyse de glucose de sang, avec une condition supplémentaire pour qu'un patient puisse dépasser si nécessaire pour une thérapie sur demande. L'environnement d'utilisation du capteur est fortement restreint et se trouve sujet à chocs continus et à des vibrations en utilisation normale sur un patient. Ainsi, un capteur à jauges de contrainte extrêmement robuste, précis et léger a été demandé. Pour cette application, HBM a conçu et a développé un capteur unique miniaturisé, qui a été placé et judicieusement dimensionné pour tenir compte du contrôle manuel et automatique de la fourniture d’insuline. L'intégration réussie de cette technique a mené à intégrer les capteurs comme un standard industriel pour plusieurs fabricants de pompe d'insuline connus dans le monde.

Les jauges de contraintes fournissent un moyen économique pour contrôler l'écoulement des médicaments liquides dans les appareils d'anesthésie intraveineuse, pour la gestion de la douleur lors de thérapies et pour le contrôle pendant une tranfusion de sang.

Pompes à infusion / pousses seringue

Pour la surveillance du flux de liquide d'une pompe à infusion, HBM a développé une série de capteurs spéciaux destinés à surveiller et à commander le flux du médicament intraveineux qui doit être reçu par l'intermédiaire d’une bride de serrage. La conception de l’appareil a dû tenir compte de la nécessite de délivrer uniformément le liquide sans entrer en contact avec lui. Pour cette application, HBM a conçu et a développé un capteur spécial et unique de 1.5 lbf placé et dimensionné pour former une configuration de lame en flexion. Avec cette forme de lame, l'assemblage se comporte comme un ressort parfait, avec un retour à zéro parfait quand le liquide cesse de s'écouler et des performances exceptionnelles en termes de répétitivité tout en n’étant pas en contact avec le médicament. Les capteurs ont été installés dans plusieurs endroits stratégiques de la pompe et également sur la bride de serrage, permettant au dispositif de mesurer non seulement le poids du fluide, mais aussi détecter une perte de liquide ou un sac vide, signalant alors la nécessité d’un remplacement. Ils permettent également de détecter n'importe quelles perturbations possibles sur l'écoulement continu, qui peuvent être causées par des facteurs extérieurs comme l'enchevêtrement des tubes ou colmatages de veine. L'utilisation de cette technologie spécifique a été adoptée par de nombreux fabricants OEM de pompes dans divers formats comme moyen rentable de surveiller l’écoulement du liquide qui est une phase critique ou de contrôle pour les anesthésies par intraveineuse mais aussi dans le cas de la gestion de la douleur dans certaines thérapies et dans la surveillance de transfusions sanguines, à la fois en milieux hospitaliers ou chez le patient.

Machines de dialyse du rein

Les machines de dialyse du rein incorporent le capteur pour assurer le flux et la circulation du liquide au taux convenable, à la proportion voulue et à la fréquence appropriée selon les paramètres réglés par son électronique de contrôle associée. La synchronisation dans ce système de mesure d'écoulement est d’une importance primordiale pour le patient, en effet il faut s‘assurer que pendant que le sang quitte le corps et est filtré, le procédé de recyclage se produit dans un laps de temps calendrier synergique. Dans ces applications, les capteurs sont employés pour surveiller non seulement les pompes médicales, mais également le poids des containers de sang, les pertes et les écoulements des fluides intraveineux, tout cela dans le but d'assurer un traitement conforme à la thérapie. Typiquement, les données de ces capteurs sont exploitées par le dispositif électronique contrôlant le procédé de dialyse. Pour cette application, HBM a conçu une série de capteurs fabriqués à la demande, accompagnant les capteurs de pesage pour le contrôle des containers de sang. Avec cette fourniture complète intégrée, le fabricant OEM peut garantir que les pompes et les containers sont pourvus de moyens de contrôle et de mesure assurant ainsi aux procédés de dialyse un fonctionnement correcte.

Conclusion

Avec une construction relativement simple, l'intégration de capteurs à jauges fabriqués sur demande par HBM pour les fabricants OEM d’appareils et d’équipements médicaux, représente beaucoup d'avantages. La conception relativement peu coûteuse du capteur offre de grande précision et une bonne répétabilité pour une implantation en série, sans aucun souci, dans la conception d’appareils médicaux non ou peu invasifs. Les possibilités étendues des jauges de contrainte pour répondre aux modifications et aux exigences spécifiques des clients facilitent son utilisation croissante dans l'industrie. Avec plus de 60 ans d'expertise à travers des centaines d'applications, l'équipe HBM appréhende facilement ce marché avec ses défis. Par ses capacités globales et uniques de développement et de fabrication de capteurs OEM et sa capacité à répondre pour un prototype en seulement 24 heures, HBM reçoit en permanence l’expression de satisfaction d’un nombre de plus en plus élevé de clients utilisateurs de solutions HBM ayant amélioré les performances de leurs appareils médicaux.

Auteurs:

Robert Chevalier
Director of Sensor Sales, Americas
HBM

Molly Chamberlin
President and Founder
Embassy Global PR & Marketing Communications, LLC
www.embassyglobalpr.com