OEM医療設備機器におけるひずみゲージ技術のメリットを理解する

カスタムひずみゲージセンサ技術により、ロボット手術システムからマンモグラフィー装置にいたるまで、あらゆる設備機器での患者体験を向上できます。

はじめに

 

競争の激しい今日の医療機器市場では、取引先商標製品の製造会社（OEM）および関連の設計およびエンジニアリング担当者が、ビジネス面でより大きなアドバンテージを実現する手段として、カスタムひずみゲージ技術を最終製品の設計に組み入れるようになってきました。

このひずみゲージ技術の性能や精度、耐用年数の延長は、その用途ごとに現場で証明されてきました。もう一つの重要なメリットは、全体的なシステムの性能においてお客様の満足度が向上することです。これによりOEMは、最終的な収益に競争上のさらなる優位性を追加することが可能となり、その結果として売り上げが増え、大口契約やプロジェクトの全体的な「ヒット率」が向上します。

ひずみゲージ技術は、現場での故障が少ないため、機器の診断性能の大幅な改善や、必要なメンテナンス時間やコストの削減に役立っており、最終的には患者に対するケアの向上にも貢献しています。こうした事情から、ひずみゲージ技術はOEMの間で技術面での「成功の秘訣」だと考えられることが多くなっています。

 

HBMは、医療用設備機器を対象としたカスタムひずみゲージ感知技術における優れた設計、開発、製造での60年以上の経験を有しており、このマーケットにおける業界のパイオニアとしての役割を果たしてきました。グローバルで多角的な社内製造業務の能力をさらに強化するとともに、何百もの成功事例から得られた自社のユニークな専門知識の持つメリットを活用しています。

こうしたひずみゲージ技術のメリットをしっかり把握するためには、まずひずみゲージそのものの構造と動作を理解することが重要です。この文書は、ひずみゲージ技術の概要に加えて、医療設備機器製造分野における実用的なアプリケーションを概括し、またカスタムひずみゲージ技術が医療機器の設計に採用される典型的なプロセスについて説明し、併せてこの技術をうまく組み込むことによって達成される装置の改善例も示すものです。

ひずみゲージを理解する

典型的なホイートストンブリッジ回路の設計

 

一般的にひずみゲージは、非常に小さな機械的ひずみを正確に計測するものです。抵抗値の変化が非常に小さいため、オーム計を使用して直接計測することは不可能です。

したがってひずみゲージは、抵抗値の変化を正確に判定することができる計測システムに組み込まれていなければなりません。そのためには、まずホイートストンブリッジ回路を作成する必要があります。

ホイートストンブリッジシステムの第一の構成部分はひずみゲージそのものであり、この部分で機械的ひずみを電気抵抗の変化に変換します。

 

ひずみゲージと計測回路は物理的な意味で、両方とも受動素子だと言えます。次に各ひずみゲージは、ホイートストンブリッジ回路に形成されたが抵抗値の等しい二つの部分からなる平衡ブリッジに配線されます。（HBMでは、ホイートストンブリッジを構成するのに固定抵抗を必要とする、1/4および1/2ブリッジ設計を使用したゲージも製造しています。）

いずれのホイートストンブリッジ構成を使用するにしても、回路を励起するためにはエネルギーがゲージを通過しなければなりません。つまりこの回路では、有効な信号を取得するためには投入エネルギー源が必要となります。この補助エネルギーは、別のエネルギー源から取得します。最も一般的に使用されるのは定電圧ですが、定電流電源を利用することも可能です。

 

ひずみによってひずみゲージの抵抗に変化が発生し、わずかなものでも変化が検知されると、ブリッジ回路の対称性が失われて回路が平衡でなくなります。ここでブリッジの平衡状態に比例して、ブリッジ出力電圧が取得されます。平衡状態にある抵抗に変化がない場合は、電気的な出力が無効、つまりゼロになります。

ひずみゲージは、平均すると1/10,000マイクロひずみを計測することが可能で、これは10フィートの室内の反対側で1dBの振動を検知するのに十分な性能です。したがって、各種のひずみゲージによる計測の可能性は、文字通り無限の範囲だと言えます。

ブリッジの出力電圧を表示機器やモニター用コンピュータで利用可能なレベルにまで上げるため、計測プロセスにアンプを組み込む必要があります。時として、ブリッジ出力に比例した出力が得られるようにアンプを設計する場合もあります。HBMでは、個々のOEMのニーズに適合するよう、考えられる様々な出力オプションを提供しています。

OEMの医療設備機器にひずみゲージ技術を組み込む

 

設計エンジニアがひずみゲージを医療機器の設計に組み込むプロセスは、非常に専門的なものになる場合があります。ひずみゲージの実装が業界または行政上の規制の対象になることも多く、これらの規制が最終的な設計要件に直接影響する可能性もあります。

 

HBMでは、技術の運用についての技術的な説明と、該当の法的規格に関するお客様との協議の後に、最初の試作品センサの設計コンセプトを作成します。このプロセスには、様々な形状、穴（開口部）、抵抗、ネジ山サイズやその他のオプションを備えた、意図した製品性能を実現するために最適なタイプのゲージに関する詳細な適用解析と推奨事項が含まれています。

有限要素解析を含む最新のエンジニアリング設計ツールを使用して、ひずみゲージの試作品の適切な設置場所を特定してから、特定の動作条件の下でそのひずみゲージを組み込みます。このプロセスの一部として、適用される負荷の下で特定の変形を起こさせるため、設計者は意図的に構造部材を弱めます。

これにより、実際の使用条件下におけるその部材の構造的な挙動特性を再現することが可能になります。次に、完璧で正確、かつ再現可能な計測を実行できるよう、ゲージの校正および調整を行います。

業界の基準に従い、OEMのガイドラインの範囲内で、社内での部品テストも完了する必要があります。試作品の製作が成功し、テストを実行してお客様に受け入れられてから、ひずみゲージが生産ラインに送られます。

 

HBMは、解析から試作品の開発までにかかるリードタイムが最短で24時間という、数多くのひずみゲージ部品を生産できる独自の社内製造能力を有しています。与えられた時間枠と必要な個数に応じて、人員体制が整ったHBMの製造施設（米国・ヨーロッパ・アジアの3箇所に設置）のいずれでも、こうした部品を製造することが可能です。

またHBMでは、さらにその他の社内テスト設備を使って、正確なサブアセンブリの設計・開発を確実に行い、性能を保証するための、必要な負荷導入部品（load introduction piece）を追加することもできます。

 

医療機器のOEMは、ゲージの試作品部品の中から自社製の完成センサを選択する可能性もあります。しかしながら、ひずみゲージのメーカーとして幣社が持っている社内専門知識の戦略的なメリットにより、お客様は製造されたセンサの品質や均一性において完全な保証を手にすることができます。

一つ一つのセンサは、初期試作品として、一貫した厳しい社内基準にしたがってテストされています。そして製品のサプライヤは、重要なコンポーネントの精度と信頼性や、機器の製造スケジュールを叶える適時の納品を実現することを約束しています。このように社内生産に伴うリスクを軽減することで、最終的に機器メーカーにとって貴重な時間、コスト、人的資源を節減することができるのです。

成功事例

 

カスタムひずみゲージ技術は、高精度のロボット手術から、患者用体重計の荷重配分、医療用ポンプの圧力、流量測定に至るまで、重要な医療機器だけでなく、それほど重要でない設備やアプリケーションでも使用されています。

HBMが開発した何百ものひずみゲージ技術の成功例のうち一般的な事例のいくつかをここでご紹介します。

非侵襲性の医療用画像および診断機器

一般的なCTスキャン機は、多軸ひずみゲージアセンブリを使用することで、なめらかでより一貫した動作とテーブルポジショニングを実現することが可能になります。

CTスキャン機

CTスキャン機では、テーブルポジショニングにおける高度の再現性が要求され、さらに患者の荷重配分の均等性とCTスキャン画像装置の正確な動作が必要です。

高精度の画像機能を実行する中、スキャニングチューブ内に配置された患者のオーバートラベル（過剰移動）を避けるには正確さが要求されます。

こうした条件下において、荷重配分の調整を行いながら、なめらかで一貫した動作とテーブルのポジショニングを確保するためには、多軸ひずみゲージアセンブリの組み込みが有効な方法であることが実証されています。

HBM製ひずみゲージ技術をうまく導入することによって得られるこうした設計強化により、さらに精度の高い医療用診断画像機器の製造が容易に行えるようになりました。

2軸および3軸のひずみゲージ力センサの使用は、可能な限り最高の画像解像度、およびマンモグラフィー実施時における患者の快適性の実現に役立ちます。

マンモグラフィー装置

非侵襲性の医療用画像および診断ツールであるマンモグラフィー装置は、乳がんおよびその関連症状を検出するために医学界で最も一般的に使用されている装置です。

この種の用途において医療機器のOEMに求められるのは、画像を撮影する際に機械から患者にかかる物理的な力の大きさを監視する方法です。

提案されるお客様向けのソリューションは、患者の正しい位置や快適性を保持しながら機械のオーバートラベルを避けると同時に、可能な限り最高の画像解像度が得られるものでなければなりませんでした。

こうした使用上の課題は、冗長多軸センサを組み込んだ2軸および3軸の両方のひずみゲージ力センサを使用することで解決されました。これらのセンサは、マンモグラフィー装置の上下のクランプに取り付けられ、機械のひずみを監視する平坦なアイテムスケールを形成し、機械的なストッパを取り付けて機械のオーバートラベルと計測の冗長性を防止します。

その結果としてOEMは、より正確なポジショニングや、より優れた患者の快適性、画像解像度の向上を実現したマンモグラフィー装置の設計上の改善を導入することができました。

HBM製ひずみゲージ技術の医療機器のポジショニングと動作におけるその他の成功事例として、手術台の調整機構、カイロプラクティック用ベッド、歯科治療用の椅子などがあります。

荷重配分アプリケーション

昇降式ベッドのハンドルに組み込んだカスタムひずみゲージの力感知アセンブリは、患者の昇降システムの移動速度を、よりスムーズに制御するのに役立ちます。

患者の昇降システム

電動モーター式の昇降システムは、ベッドから車椅子や車輪付担架に患者を移動・搬送する手段として一般的なものです。また、肺炎や圧力性潰瘍を発症する危険性を最小限に抑えるために患者の身体の向きを変えるためにも使われています。

この昇降システムには、患者のベッド側面に取り付けたハンドル装置があり、必要に応じてこの装置を引くことで電動モーターを作動させます。

こうしたカスタムアプリケーションの要求を満たすため、大手の医療機器OEMが、荷重配分、重心、モーター駆動による昇降動作の速度や一貫性を正しく監視するより優れた方法を求めてHBMにアプローチしてきました。

昇降システムのベッド操作ハンドル内にカスタムひずみゲージの力感知アセンブリを組み込むことにより、そのOEMでは、動作速度システムの全般にわたって優れた操作性を実現することが可能となりました。操作ハンドルに釣り合った大きさの力をかけることで、医療従事者は装置の昇降速度を自分の使いやすい方法で操作することができます。

医療計量

 

小児科、獣医、家庭健康モニタリング、調剤薬局などの用途で要求されるような医療用はかりアセンブリは、すべてHBMのカスタムひずみゲージ技術をうまく取り入れた医療OEM用途の代表例です。このタイプの非常に多様な要求事項は、ナノストレイン（nanostrain）あるいはその他の値から、1グラムの何分の一まで計測可能なサブアセンブリを始め、500重量ポンド（lbf）まで計測できる計量システムに至るまで、広範にわたります。HBMが開発したOEMの医療計量用途における最近の成功例としては、乳児用体重計上の金属プレートへのロードセルの組み込みがあります。HBMがサブアセンブリを製造し、お客様は上部プレートを供給するだけで、体重計全体が完成しました。

侵襲性を最小限に抑えた医療機器

一連の多軸カスタムひずみゲージセンサアセンブリは、精度と動作性能の向上により、OEMの高精度ロボット手術装置の開発に一役買っています。

リモートロボット手術

アジア太平洋の医学界における最近の傾向は、整形外科手術へのロボット技術の採用です。この種の用途では、患者に対面した外科手術と同レベルの精度と正確さを維持しながら、医師が遠隔操作で患者の手術を行います。

新型のロボット手術用機器が要求するレベルに後れを取らないため、大手の医療用機器OEMは、遠隔操作による股関節手術を行う際には、力の深さとドリルビットの回転力の両方を正確に計測できなければなりません。

また機器のメーカーは、ドリルビットの再現可能で正確なポジショニングを維持しながら、X軸、Y軸、Z軸方向にそれぞれどの程度の深さまで骨に穴を開けるのか正確に見極める必要があります。

ここで言うポジショニングとは、ドリルを出し入れする際のねじり動作を意味するもので、回転トルクの計測値を示しており、数万分の一の精度の製造精度要件を備えています。

こうした用途における非常に高い要件を満たすため、HBMは、圧縮モードと引っ張りモードの両方において、一連の多軸カスタムひずみゲージセンサのサブアセンブリの設計・製造を行い、下方向および上方向への力と動作を測定しました。また別のひずみゲージセンサには、垂直な構成で取り付けられ、手術台上における患者のポジショニングを確実に維持しながら、全てのたわみとドリル動作の一貫性を計測したものもあります。

その結果として、その医療用機器のOEMは、より高い精度と動作性能を備えた高精度ロボット手術装置を導入することに成功しました。

医療用ポンプ

インスリンポンプの流量モニタリング

流量モニタリングについては、ある医療用機器のOEMが、インスリンポンプの流量出力を監視・制御するためのひずみゲージを開発するため、HBMにアプローチしてきました。このポンプは患者の体に取り付けて継続的に使用することを目的に設計されたもので、内蔵されている連続血液グルコースモニターからのフィードバックにより決定した内容に従ってインスリン量を徐々に増やして供給し、要求により治療に必要であれば量を上乗せできるという、患者向けの追加的な要件を備えています。

このアプリケーションの使用環境そのものが高度に小型化されており、患者の通常使用における継続的な衝撃や振動入力の影響を受けやすくなっています。したがって、頑丈で、精密で、軽量のひずみゲージ感知技術が要求されます。

こうしたアプリケーションのためにHBMでは、独自の超小型ひずみゲージセンサアセンブリを設計・開発しました。このセンサアセンブリは、手動および自動の両方のインスリン供給量の制御が可能になるように配置され、また、意図的に弱められています。この技術をうまく取り入れることで、世界トップクラスのインスリンポンプメーカーの多くにとって業界標準の、ひずみゲージセンサを組み込むことが可能となりました。

カスタムひずみゲージアセンブリは、静脈麻酔、疼痛管理治療、および輸血用機器などにおいて、重要な流量のモニタリングおよび制御のためのコスト効率の高い手法を提供します。

医療用輸液ポンプ／シリンジポンプ

輸血ポンプの流量モニタリング用として、HBMは、チューブクランプ（tubing clamp）を経由して受け取る静脈内投薬の流量を、監視して制御する一連のひずみゲージを開発しました。

この装置は、液体そのものに直接触れることなく、一定した液体送達ができるように設計する必要がありました。

この用途のためHBMは、刃形の構成を形成するように配置され意図的に弱められた、特殊な1.5重量ポンド（lbf）のひずみゲージセンサアセンブリを開発しました。

このアセンブリは、高度に再現可能な性能と液体自体への非接触性を実現するため、刃形によって、液体の流れが停止するとゼロに戻る、完全なバネの挙動を模倣しています。

センサは、ポンプ上およびチューブクランプ上の戦略的な位置に数カ所取り付けられました。これは、装置が液体の重さを計測するだけでなく、流体損失の増加や空のバッグを検出し、交換が必要であることを通知したり、外的要因（例えばチューブのもつれや静脈閉塞など）によって生じる連続した液体の流れが妨げられる可能性があることを示したりするためです。

この特殊な技術は、入院患者と外来患者の介護要件の両方を満たし、静脈麻酔やペインマネジメント治療、輸血用機器向けに、重要な流量を監視・制御するためのコスト効率の高い方法として、多くのポンプOEMが様々な形式で採用しています。

腎臓透析機

腎臓透析機には、付属の電子コントローラ装置によって設定されたパラメータに従った均一の流量を確保し、正しい速度・比率・周波数での循環を確実に行うため、ひずみゲージ感知技術が組み込まれています。流量計測システム内のタイミングは患者にとって非常に重要なもので、血液が体から出てフィルタを通過する際に、再循環プロセスが相乗作用のタイムフレームで確実に発生しなければなりません。

こうした用途では、ひずみゲージ部品は医療用ポンプの監視に使用されているだけでなく、すべて一貫した治療の実施を目標として、血液と排液の両方のキャニスターの重量、さらに吊してある静脈注射液の流量の監視にも使用されています。

一般的に、こうしたセンサからのデータは透析プロセスを管理する電子制御装置によって使用されます。HBMはこの用途に向けて、キャニスターの計量および計測のための付随するロードセル技術を備えた、様々なカスタムひずみゲージセンサアセンブリを設計しました。

こうした包括的な技術を一体化することにより、あるOEMではポンプとキャニスターシステムの両方が必要なチェックアンドバランスを確実に組み込むことが可能となり、円滑な透析プロセスが保証されるようになりました。

結論

HBM製のカスタムひずみゲージ技術は比較的シンプルな構造になっているため、これを医療用設備機器に組み込んだOEMは多くのメリットを受けています。この比較的低コストのひずみゲージの設計は、非侵襲性および侵襲性がごく低い様々な装置設計へのシームレスな組み込みに、高い精度と再現可能性を提供しています。

このひずみゲージではお客様ごとの固有の計測要件を満たすための変更が幅広く行えるため、業界内での普及をさらに促しています。何百もの用途を対象とした60年以上の経験を備え、HBMグループは、この市場および市場に関わる課題を熟知しています。

HBMは、OEMひずみゲージ部品を開発する独自のグローバルな生産能力を持っており、試作品の変更をわずか24時間で行うことができるため、設計効率と性能をさらに向上させる新しいオプションを備えた数多くの優れた医療用設備機器を次々とお客様に提供しているのです。

 

Authors:

Robert Chevalier
Director of Sensor Sales, Americas
HBM

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