Ventajas de la tecnología de galgas extensométricas en los equipos médicos OEM

La tecnología de galgas extensométricas a medida mejora la experiencia de los pacientes en todos los aspectos: desde los sistemas quirúrgicos robóticos hasta los equipos de mamografía.

Introducción

Dada la elevada competitividad del actual mercado de los dispositivos médicos, los fabricantes de equipos originales (OEM) y sus equipos de diseño e ingeniería integran cada vez con mayor frecuencia tecnologías de detección mediante galgas extensométricas a medida en el diseño de sus productos, con el fin de aumentar su ventaja empresarial. El rendimiento, precisión y prolongada vida útil de estas tecnologías son factores bien contrastados en este tipo de aplicaciones. Otra ventaja tangible es una mayor satisfacción del cliente con el funcionamiento general del sistema. Los OEM pueden sumar esta "ventaja competitiva adicional" al balance de su actividad, con el consiguiente aumento de las ventas y de su "índice de aciertos" global para proyectos y contratos importantes. La tecnología de galgas extensométricas contribuye además a una mejora radical de las funciones de diagnóstico de los equipos; a la reducción del coste y tiempo de mantenimiento requeridos como consecuencia de un menor número de fallos; y, en última instancia, a un aumento de la calidad de la atención al paciente. Por todo ello, a menudo los fabricantes de equipos originales consideran las galgas como un "secreto del éxito" tecnológico.

Con más de 60 años de experiencia en el diseño, desarrollo y producción de tecnologías de detección de galgas extensométricas para equipos médicos con excelentes resultados, HBM ha sido un pionero en este mercado, en el que ga sabido capitalizar su capacidad de fabricación global y su experiencia imbatible, que ha ido acumulando a través de cientos de aplicaciones de éxito. Para poder aprovechar realmente las ventajas de la tecnología de galgas extensométricas, es importante conocer primero la estructura y funcionamiento de estos dispositivos. Este artículo contiene una descripción general de la tecnología de galgas extensométricas y sus aplicaciones prácticas en el campo de la producción de equipos y dispositivos médicos. Se explican los procesos que normalmente se emplean para incorporar tecnologías de galgas extensométricas a medida en el diseño de dispositivos médicos y se ofrecen ejemplos de mejoras en los equipos logradas a través de una integración óptima.

La galga extensométrica

A typical Wheatstone bridge circuit design
Diseño de un circuito de puente de Wheatstone típico

Típicamente, las galgas extensométricas miden deformaciones mecánicas muy pequeñas y precisas. En consecuencia, los cambios en la resistencia también son muy pequeños y no se pueden medir directamente con un óhmetro. Por este motivo la galga extensométrica debe incluirse en un sistema de medición capaz de determinar con precisión los cambios en la resistencia. Para ello debe crearse un circuito de puente de Wheatstone. El primer componente del puente de Wheatstone es la propia galga extensométrica. La galga convierte la deformación mecánica en un cambio en la resistencia eléctrica.

Tanto la galga extensométrica como el circuito de medición son, en un sentido físico, componentes pasivos. Cada galga extensométrica se conecta después a un puente compensado que consta de dos secciones con el mismo valor de resistencia, formando así un circuito de puente de Wheatstone (HBM también produce galgas con diseños de 1/4 y 1/2 puente que necesitan una resistencia fija para completar el puente de Wheatstone). Con independencia de la configuración del puente, debe existir una corriente eléctrica que atraviese la galga y alimente el circuito. El circuito tiene que contar con una fuente de energía de entrada para obtener una señal útil. Esta energía auxiliar se obtiene de una fuente independiente. Normalmente se utiliza una tensión eléctrica constante, aunque también se puede emplear una fuente de potencia de corriente constante.

Cuando se produce un cambio en la resistencia de la galga extensométrica provocado por una deformación y se detecta la menor modificación, el circuito de puente pierde su simetría y se descompensa. En ese momento, se obtiene una tensión de salida del puente que es proporcional a su descompensación. Si no se produce ningún cambio en la resistencia compensada, la salida eléctrica será nula o cero. Las galgas extensométricas normalmente miden deformaciones de 1/10.000 micras, un valor suficiente para detectar una vibración de 1 dB en un local de tres metros de lado. Por lo tanto, las posibilidades de medición de las diferentes galgas extensométricas son, en un sentido bastante literal, infinitas. En el proceso de medición debe incluirse un amplificador que eleve la tensión de salida del puente hasta un nivel compatible con los ordenadores de control o los instrumentos indicadores. En ocasiones, los amplificadores están diseñados para generar una salida proporcional a la salida del puente en tensión. HBM ofrece diversas opciones de salida que se adaptan a las necesidades concretas de los OEM.

Integración de la tecnología de galgas extensométricas en equipos y dispositivos médicos OEM

El proceso por el que los ingenieros de diseño integran la tecnología de galgas extensométricas en los diseños de equipos médicos puede requerir un alto grado de especialización. La implantación suele estar sujeta a la normativa industrial o gubernamental, que puede tener una repercusión directa en los requisitos del diseño final.

En HBM, tras informar al cliente sobre el funcionamiento de la tecnología y hablar con él sobre las normas vigentes aplicables, se crea un diseño de sensor para un prototipo inicial. Este proceso incluye un análisis de la aplicación detallado y recomendaciones sobre el tipo de galga más adecuado para obtener el rendimiento del producto deseado, con una gran diversidad de geometrías, orificios y muescas, resistencias, roscas y otras opciones. El uso del análisis de elementos finitos y otras herramientas avanzadas de diseño de ingeniería permite identificar la ubicación adecuada para la galga extensométrica en el prototipo. A continuación, la galga se incorpora en las condiciones de funcionamiento específicas. Como parte de este proceso, el diseñador debilita estratégicamente el miembro estructural para que se produzcan deflexiones específicas en las condiciones de aplicación de la carga. De este modo, el miembro puede emular las características del comportamiento estructural de las condiciones de uso reales. A continuación se calibra y ajusta para efectuar una medición perfecta, precisa y repetible. También deben completarse pruebas internas de estos componentes de conformidad con las normas del sector y las directrices de los OEM. Una vez que el cliente ha creado, probado y aceptado un prototipo con buenos resultados, este se envía a producción.

HBM es la única empresa que cuenta con los medios internos necesarios para producir componentes con galgas extensométricas integradas en plazos de tan solo 24 horas desde el análisis hasta el desarrollo del prototipo. En función de los plazos y de las cantidades que se requieran, los componentes se pueden producir en cualquiera de las tres plantas de producción de HBM, que están dotadas del personal necesario y se encuentran en Estados Unidos, Europa y Asia. HBM también puede añadir cualquier componente de introducción de carga que sea necesario, con pruebas internas adicionales para garantizar el diseño, desarrollo y rendimiento de una subunidad precisa.

Los OEM de equipos médicos también pueden producir ellos mismos sensores acabados a partir de un prototipo con una galga integrada. No obstante, la ventaja estratégica que suponen los conocimientos internos propios de un fabricante de galgas extensométricas permiten al cliente confiar plenamente en la calidad y uniformidad de los sensores fabricados. Cada sensor se prueba siguiendo las mismas normas internas estrictas que el prototipo inicial. El proveedor garantiza la precisión y fiabilidad del componente crítico y su entrega puntual para cumplir el calendario de producción del dispositivo. Esta mitigación del riesgo de la producción interna puede en última instancia ahorrar al fabricante del dispositivo un tiempo, dinero y recursos inestimables.

Aplicaciones con buenos resultados

La tecnología de galgas extensométricas a medida se utiliza en aplicaciones de equipos y dispositivos médicos críticos y no críticos que abarcan desde la cirugía robótica de alta precisión hasta la distribución del peso de los pacientes mediante básculas, pasando por mediciones de caudal y presión ens bombas médicas. A continuación citamos algunos ejemplos generales, entre los cientos de aplicaciones de la tecnología de galgas extensométricas que HBM ha desarrollado con éxito:

Equipos de diagnóstico e imagen médica no invasivos

Un equipo de TC estándar puede consguir un movimiento y posicionamiento de la mesa más fluido y constante mediante la integración de una subunidad de galga extensométrica multieje.

Equipos de TC

Los equipos de TC requieren una colocación de la mesa altamente repetible, así como una distribución del peso del paciente uniforme y un movimiento preciso del dispositivo de imagen de TC. Se requiere una gran exactitud para las funciones de creación de imágenes de alta precisión y para, al mismo tiempo impedir que la posición del paciente dentro del tubo del escáner sea incorrecta. En este contexto, la integración de una subunidad con galga extensométrica multieje ha demostrado ser un medio eficaz para garantizar un movimiento y posicionamiento fluidos y constantes de la mesa, a la vez que esta se ajusta para distribuir el peso. Estas mejoras del diseño, logradas gracias a la correcta integración de la tecnología de galgas extensométricas de HBM, han facilitado la producción de equipos de imagen de diagnóstico con fines médicos más precisos.

 

The use of dual and triaxial strain gauge force sensors can help achieve the highest possible image resolution and patient comfort during a mammogram.
Durante una mamografía, el uso de sensores de fuerza de galgas extensométricas duales y triaxiales puede maximizar la resolución de la imagen y la comodidad de la paciente.

Equipos de mamografía

Los equipos de mamografía son herramientas de diagnóstico médico por imagen no invasivas; por ello, se encuentran entre los equipos que se utilizan con mayor frecuencia en la comunidad médica para detectar tumores en el pecho y otras enfermedades asociadas. Para este tipo de aplicación, un OEM de equipos médicos necesitaba un medio de controlar la fuerza física que la propia máquina ejercía sobre la paciente cuando trataba de tomar una imagen. La solución propuesta al cliente tenía que ofrecer el grado de resolución de la imagen más alto posible sin perjuicio de la posición y comodidad de la paciente, evitando al mismo tiempo un desplazamiento excesivo de la máquina. El reto que planteaba esta aplicación se resolvió mediante el uso de sensores de fuerza de galgas extensométricas duales y triaxiales con la incorporación de un sensor multieje redundante. Los sensores se instalaron en la placa de compresión superior e inferior del equipo de mamografía, formando una báscula plana que controlaba la flexión del equipo. También se incorporó un tope mecánico para evitar un desplazamiento excesivo del equipo y medidas redundantes. De este modo, el OEM pudo introducir mejoras en el diseño del equipo de mamografía que redundaban en un posicionamiento más preciso, mayor comodidad para la paciente y una mejora de la resolución de la imagen. Otras aplicaciones de la tecnología de galgas extensométricas de HBM que han mejorado el posicionamiento y movimiento de los equipos médicos incluyen ajustes en las mesas de operaciones, camas quiroprácticas y sillones para cirugía dental.

Aplicaciones de distribución del peso

A custom strain gauge force sensing assembly within the lift system bed handle can help achieve better control over a patient lift system's rate of movement.
Un sensor de fuerza con galgas extensométricas a medida integrado en la palanca del sistema de elevación de una cama puede contribuir a mejorar el control sobre la velocidad de movimiento del sistema de levantamiento de los pacientes.

Sistemas de elevación de pacientes

Los sistemas de elevación motorizados son un medio habitual para mover o trasladar a los pacientes de su cama a una silla de ruedas o camilla, así como para darles la vuelta con el fin de minimizar las posibilidades de que desarrollen una neumonía o úlceras derivadas de la presión. Uno de estos sistemas consta de una palanca instalada en el lateral de la cama del paciente, de la que se tira para activar un movimiento motorizado a demanda. Para esta aplicación a medida, un importante OEM de equipos médicos recurrió a HBM al objeto de mejorar el correcto control de la distribución del peso, el centro de gravedad y la velocidad y fluidez de los movimientos de elevación motorizados. Gracias a la integración de una unidad de detección de fuerza con galgas extensométricas a medida en la palanca del sistema de elevación de la cama, el OEM pudo controlar mejor la velocidad de movimiento del equipo: al aplicar una cantidad de fuerza proporcional a la palanca, el profesional médico determina la velocidad de levantamiento del dispositivo de una manera sencilla.

Pesaje con fines médicos

Las básculas médicas, como las que se emplean con fines pediátricos, veterinarios o de control del estado de salud en casa y en las farmacias, constituyen ejemplos de aplicaciones de OEM de productos médicos que integran con buenos resultados la tecnología de galgas extensométricas a medida de HBM. Se trata de aplicaciones muy diversas, que abarcan desde subunidades que pueden medir nanodeformaciones u otros valores de incluso fracciones de gramo hasta sistemas de pesaje con capacidad para 500 lbf. Un reciente ejemplo de una aplicación de pesaje con fines médicos para OEM desarrollada en HBM que obtuvo muy buenos resultados fue la integración de una célula de carga en una placa metálica de una báscula para bebés. HBM produjo la subunidad y el cliente simplemente suministró la placa superior para formar una báscula completa.

Dispositivos médicos mínimamente invasivos

A series of multi-axis custom strain gauge sensor subassemblies can help OEMs develop high-precision robotic surgical devices with greater accuracy and performance capabilities.
Una serie de subunidades de sensor con galgas extensométricas a medida multieje puede ayudar a los OEM a desarrollar dispositivos quirúrgicos robóticos de alta precisión, con mayor exactitud y prestaciones.

Cirugía robótica a distancia

Una de las últimas tendencias entre la comunidad médica de la región Asia-Pacífico es la adopción de metodologías robóticas con fines de cirugía ortopédica. Este tipo de aplicaciones permite a los médicos operar a sus pacientes a distancia con el mismo nivel de precisión que en los procedimientos quirúrgicos in situ. Para poder satisfacer la demanda de nuevos equipos quirúrgicos robóticos, un importante OEM de equipos médicos necesitaba medir con precisión la profundidad de la fuerza y la fuerza de giro del trépano durante las cirugías de cadera a distancia. El fabricante debía evaluar con precisión la profundidad de perforación del hueso en los ejes X, Y y Z, sin perjuicio de un posicionamiento repetible y preciso del trépano. En este contexto, el posicionamiento hace referencia al movimiento de giro hacia el interior y hacia el exterior del trépano, indicativo de una medida de par de giro, con unos requisitos de precisión del orden de decenas de milésimas de pulgada durante la producción. Para dar respuesta a los requisitos tan estrictos de esta aplicación, HBM diseñó y produjo una serie de subunidades de sensor de galgas extensométricas a medida multieje en modos de compresión y tensión, para medir la fuerza y el movimiento descendentes y ascendentes. También se instaló otro sensor de galgas extensométricas en una configuración perpendicular para medir la deflexión total y la fluidez del movimiento de perforación, garantizando el correcto posicionamiento del paciente sobre la mesa de operaciones. De este modo, el OEM de equipos médicos pudo lanzar un dispositivo quirúrgico robótico de alta precisión capaz de ofrecer mayor exactitud y rendimiento.

Bombas médicas

Control de caudal en bombas de insulina

En el ámbito de las aplicaciones de control de caudal, un OEM de dispositivos médicos recurrió a HBM para el desarrollo de una galga extensométrica que permitiese supervisar y controlar la salida de fluido de una bomba de insulina. Esta bomba ha sido diseñada para uso continuo en el cuerpo del paciente. La bomba regula de forma incremental el suministro de insulina en función de la información procedente de un monitor integral, que mide la glucosa constantemente. Como requisito añadido, el paciente debía poder anular su funcionamiento en caso de necesidad, para terapias a demanda. El entorno de la aplicación en sí era altamente compacto y el dispositivo se vería sometido a impactos y vibraciones constantes, derivados del uso normal por parte del paciente. Por lo tanto, se necesitaba una tecnología de detección de galgas extensométricas altamente robusta, precisa y ligera. Para esta aplicación, HBM diseñó y desarrolló un sensor de galgas extensométricas subminiatura único, posicionado y estratégicamente debilitado para permitir un control tanto manual como automático del suministro de insulina. Los buenos resultados de la integración de esta tecnología han hecho que los principales fabricantes de bombas de insulina de todo el mundo incorporen los sensores de galgas extensométricas en sus productos de forma estándar.

Custom strain gauge assemblies provide a cost-effective means of monitoring and controlling critical liquid flow for intravenous anesthesia, pain management therapy and blood transfusion equipment.
Las unidades de galgas extensométricas a medida suponen un medio rentable de supervisión y control del caudal de fluidos críticos para las aplicaciones de anestesia intravenosa, tratamientos para la gestión del dolor y equipos de transfusión de sangre.

Bombas médicas de jeringuilla/bombas de infusión

Para poder controlar el caudal en una bomba de infusión médica, HBM desarrolló una serie de galgas extensométricas destinadas a supervisar y controlar el caudal de los medicamentos intravenosos que debían recibirse a través de la pinza del conducto. El diseño del dispositivo debía permitir un suministro del fluido uniforme, sin entrar en contacto con el propio fluido. Para esta aplicación, HBM diseñó y desarrolló un sensor de galgas extensométricas de 1,5 lbf único, posicionado y estratégicamente debilitado en una configuración en forma de pala. Con su forma de pala, la unidad imitaba el comportamiento de un muelle perfecto que volvía a la posición cero cuando el líquido dejaba de fluir, con un rendimiento altamente repetible y sin entrar en contacto con los propios fluidos. Los sensores se instalaron en varias ubicaciones estratégicas de la bomba y también en la pinza del conducto, de modo que el dispositivo no solo podía medir el peso del fluido, sino también detectar un posible aumento de las pérdidas de este o el hecho de que la bolsa se hubiera vaciado. En tal caso, indicaría la necesidad de sustituirla o cualquier interferencia en la continuidad del caudal provocada por factores externos, como un conducto doblado o una obstrucción venosa. Numerosos OEM de bombas han adoptado el uso de esta tecnología específica en diversos formatos: constituye un medio rentable para la supervisión y el control del caudal de fluidos críticos en las aplicaciones de anestesia intravenosa, los tratamientos de gestión del dolor y los equipos de transfusión de sangre que satisface los requisitos hospitalarios y de asistencia ambulatoria.

Equipos de diálisis renal

Los equipos de diálisis renal integran tecnologías de detección de galgas extensométricas para garantizar un caudal uniforme y una velocidad de circulación adecuada, con una proporción y frecuencia acordes a los parámetros configurados por el controlador electrónico asociado. La sincronización en este sistema de medición del caudal es de vital importancia para el paciente, ya que garantiza que, cuando la sangre sale del cuerpo y se filtra, el proceso de recirculación se produzca en un plazo de tiempo sinérgico. En estas aplicaciones, los componentes con galga extensométrica se utilizan para controlar no solo las bombas médicas, sino también el peso de los filtros de la sangre y los residuos y el caudal de los fluidos intravenosos suspendidos, todo ello con el fin de garantizar la continuidad en la administración del tratamiento. El controlador electrónico que gestiona el proceso de diálisis normalmente utiliza los datos procedentes de estos sensores. Para estas aplicaciones, HBM ha diseñado diversos sensores de galgas extensométricas a medida con tecnologías de célula de carga asociadas, que miden y pesan los filtros. Gracias a esta completa integración de la tecnología, los OEM pueden asegurarse de que las bombas y los sistemas de filtro incorporen las comprobaciones y compensaciones necesarias para garantizar un proceso de diálisis fluido.

Conclusión

La incorporación por parte de los OEM de tecnologías de galgas extensométricas a medida de HBM a los equipos y dispositivos médicos a aportado múltiples ventajas, debido a su estructura relativamente sencilla. El coste —relativamente bajo— del diseño de una galga extensométrica proporciona un alto grado de precisión y repetibilidad para una integración perfecta en una gran diversidad de diseños de equipos no invasivos o mínimamente invasivos. Las ingentes posibilidades de modificación de las galgas extensométricas para adaptarlas a requisitos de medición específicos del cliente ha favorecido su adopción por parte de la industria. Con más de 60 años de experiencia y cientos de aplicaciones, el equipo de HBM conoce el mercado y los retos a los que se enfrenta. HBM dispone de medios de producción únicos en todo el mundo para el desarrollo de componentes con galgas extensométricas integradas para OEM, con plazos de producción de prototipos de tan solo 24 horas. Por eso, cada vez son más los clientes de equipos médicos de HBM satisfechos a los que proponemos de forma continua nuevas opciones para mejorar la eficiencia y las prestaciones de los diseños.

Autor:

Robert Chevalier
Director de Ventas de Sensores, Américas
HBM

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