Comprensione dei Vantaggi della Tecnologia degli Estensimetri nei Dispositivi ed Apparecchiature OEM Medicali

La tecnologia personalizzata dei sensori ad estensimetri migliora l'esperienza sui pazienti in tutto, dai sistemi chirurgici robotizzati alle macchine per mammografia.

Introduzione

Nell'odierno mercato fortemente competitivo dei dispositivi medicali, i costruttori di apparecchiature originali (OEM) ed il loro personale di progettazione ed ingegnerizzazione stanno optando per includere le tecnologie dei sensori ad estensimetri personalizzati nella progettazione dei prodotti finiti, quale mezzo per conseguire maggiori vantaggi economici. Di queste applicazioni è stata dimostrata sul campo la capacità, la precisione e la lunga vita operativa. Un altro vantaggio misurabile è l'aumento della soddisfazione degli utenti in termini di prestazioni complessive del sistema, che consente agli OEM di aggiungere una "marcia competitiva in più" alla loro produzione di base, incrementando così le vendite e la "quota di successo" generale con contratti e progetti più importanti. A causa dei minori guasti sul campo, la tecnologia degli estensimetri contribuisce anche al drastico potenziamento delle capacità delle apparecchiature diagnostiche, alla diminuzione dei tempi e dei costi di manutenzione e, non ultimo, al miglioramento della qualità di cura dei pazienti. Come tale, la tecnologia degli estensimetri è spesso considerata un "segreto del successo" tecnologico fra gli OEM.

Con oltre 60 anni di esperienza di apprezzata progettazione, sviluppo e costruzione di dispositivi ed apparecchiature medicali con tecnologie ad estensimetri personalizzate, la HBM è stata un pioniere nel mercato di tale industria, sfruttando appieno le proprie capacità di produzione globale "in casa" ed i vantaggi della propria esclusiva esperienza, maturata con centinaia di applicazioni di successo. Per cogliere veramente i benefici della tecnologia degli estensimetri, è prima necessario comprendere a fondo la struttura ed il funzionamento degli estensimetri stessi. Questo articolo fornisce una panoramica della tecnologia degli estensimetri e delle sue applicazioni pratiche nell'ambito della produzione di dispositivi ed apparecchiature medicali; spiega i processi tipici con cui viene introdotta la tecnologia degli estensimetri personalizzati nella progettazione della strumentazione medicale; ed offre degli esempi del miglioramento delle apparecchiature ottenuti mediante l'integrazione di tale affermata tecnologia.

Comprensione degli Estensimetri

A typical Wheatstone bridge circuit design
Struttura tipica del circuito a ponte di Wheatstone

Tipicamente l'estensimetro misura deformazioni meccaniche molto piccole e precise. Di conseguenza sono talmente piccole anche le variazioni di resistenza da non poter essere misurate direttamente con un Ohmetro. Perciò l'estensimetro deve essere inserito in un sistema di misura che consenta la precisa determinazione della variazione di resistenza. A tal fine, si deve realizzare un circuito a ponte di Wheatstone. Il primo componente del sistema a ponte di Wheatstone è costituito dall'estensimetro stesso. Esso converte la deformazione meccanica in una variazione della resistenza elettrica.

Sia l'estensimetro che il circuito di misura sono, in senso fisico, dei componenti passivi. Ogni estensimetro viene poi collegato in un ponte equilibrato, costituito da due semiponti di eguale valore resistivo che formano il circuito a ponte di Wheatstone (la HBM costruisce anche estensimetri con struttura a 1/4 e 1/2 ponte, che richiedono un resistore fisso per completare il ponte di Wheatstone). Indipendentemente dalla configurazione del ponte, deve fluire un'energia nell'estensimetro per alimentare il circuito. Per ottenere un segnale utile, il circuito deve avere un ingresso di energia. Questa energia ausiliaria proviene da una sorgente separata. Solitamente si tratta di una tensione elettrica costante, me è anche possibile utilizzare una sorgente di corrente costante.

Quando la deformazione provoca la variazione di resistenza dell'estensimetro e viene rilevata la minima variazione, il circuito a ponte perde la sua simmetria e si sbilancia. Si ottiene una tensione di uscita del ponte proporzionale al suo stato di sbilanciamento. Se non c'è alcuna variazione all'equilibrio resistivo, l'uscita elettrica sarà nulla o zero. Mediamente l'estensimetro misurerà 1/10.000 µm/m, il che è abbastanza per rilevare la vibrazione di 1 dB lungo un locale di circa 3 metri. Quindi le possibilità di misura dei vari estensimetri hanno quasi letteralmente un campo infinito. Risulta necessario inserire un amplificatore nel processo di misura per elevare la tensione di uscita del ponte ad un livello compatibile con gli strumenti di indicazione od i calcolatori di monitoraggio. Gli amplificatori di misura sono progettati per fornire un'uscita proporzionale alla tensione di uscita del ponte. La HBM offre numerose opzioni del segnale di uscita per soddisfare le necessità individuali degli OEM.

Integrazione della Tecnologia degli Estensimetri nei Dispositivi ed Apparecchiature Medicali OEM

Il processo con cui i progettisti incorporano la tecnologia degli estensimetri dei progetti della strumentazione medicale possono essere altamente specializzati. L'implementazione è sovente soggetta ai regolamenti industriali o governativi, che possono avere entrambi influenza diretta sui requisiti del progetto definitivo.

Alla HBM, dopo una riunione tecnica sull'operatività della tecnologia ed un discussione col cliente concernente le normative ed i regolamenti pertinenti, viene creato il concetto preliminare di progettazione del prototipo del sensore. Questo processo comprende l'analisi dettagliata dell'applicazione e le raccomandazioni per il miglior tipo di estensimetro, con lo scopo di ottenere le prestazioni desiderate dal prodotto mediante svariate geometrie, intagli, resistenze, filettature ed altre opzioni. L'appropriato posizionamento degli estensimetri sul prototipo viene identificata mediante l'analisi ad elementi finiti ed altre procedure avanzate per la progettazione ingegneristica. Indi il prototipo viene sottoposto alle specifiche condizioni operative. Quale parte di questo processo, il progettista indebolirà strategicamente l'elemento strutturale per consentire una specifica deflessione sotto il carico applicato, in modo da imitare le proprietà di comportamento strutturale nelle condizioni d'impiego reali. Poi esso viene tarato ed aggiustato al fine di eseguire perfettamente misurazioni accurate e ripetibili. Le prove di laboratorio di queste parti devono essere anche completate in conformità alle norme industriali e nell'ambito delle direttive degli OEM. Infine, dopo che il prototipo è stato costruito, provato ed accettato dal cliente, esso viene inviato alla produzione.

La HBM possiede l'esclusiva capacità di produrre in casa un certo quantitativo di estensimetri personalizzati entro 24 ore dall'analisi allo sviluppo del prototipo. A seconda delle quantità e dei tempi richiesti, le parti possono essere prodotte in uno qualsiasi dei tre stabilimenti HBM completamente attrezzati: Stati Uniti, Europa ed Asia. La HBM può inoltre produrre qualsiasi dispositivo di introduzione del carico, con ulteriori capacità di prova nei propri laboratori per garantire lo sviluppo, le prestazioni e l'accurato subassemblaggio.

Un OEM di apparecchiature medicali può anche scegliere di costruire in proprio i trasduttori finiti partendo da un prototipo estensimetrato. Tuttavia, i vantaggi strategici dell'esperienza della costruzione in casa degli estensimetri, consente al cliente di ottenere la completa garanzia di qualità ed uniformità dei sensori prodotti. Come il prototipo iniziale, ogni sensore viene collaudato secondo le rigorose normative della fabbrica, ed il fornitore risponde dell'accuratezza e dell'affidabilità dei componenti critici oltre alla loro tempestiva consegna rispettando i programmi di fabbricazione stabiliti per il dispositivo.In ultima analisi, questa riduzione del rischio di fabbricazione in casa propria consente al produttore OEM di risparmiare tempo, costi e risorse.

Applicazioni di Successo

La tecnologia degli estensimetri personalizzati è utilizzata sia per dispositivi medicali critici e non critici e relative applicazioni, spaziando dalla chirurgia robotica di alta precisione, alle bilance della distribuzione del peso dei pazienti, alle pompe medicali per la misurazione della pressione e del flusso sanguigno. Alcuni esempi generali delle centinaia di applicazioni di successo della tecnologia degli estensimetri sviluppate dalla HBM comprendono:

Apparecchiature Medicali Non Invasive di Diagnostica per Immagini

Una tipica macchina per TC consente il movimento regolare ed il posizionamento del tavolo più costanti, mediante l'impiego di un sottoinsieme multiassiale strumentato con estensimetri.

Macchine per TC(Tomografia Computerizzata)

Le macchine per TC richiedono l'elevata ripetibilità di posizionamento del tavolo, l'omogenea distribuzione del peso del paziente e la precisione del movimento del dispositivo di scansione TC delle immagini. La precisione è necessaria per svolgere le funzioni di rilevazione immagine di alta accuratezza, evitando eccessivi spostamenti del paziente all'interno del tubo di scansione. In questo contesto, l'integrazione di un sottoinsieme multiassiale strumentato con estensimetri ha dimostrato di essere un mezzo efficace per meglio garantire il movimento regolare e costante ed il posizionamento del tavolo, mentre viene regolata la distribuzione del peso. Questo miglioramento della struttura, realizzata con successo mediante l'integrazione della tecnologia degli estensimetri della HBM, ha facilitato la costruzione di macchine medicali di diagnosi per immagini di maggior precisione.

The use of dual and triaxial strain gauge force sensors can help achieve the highest possible image resolution and patient comfort during a mammogram.
L'impiego di sensori di forza bi e triassiali ad estensimetri aiuta ad ottenere la massima risoluzione possibile dell'immagine e la massima comodità del paziente durante la mammografia.

Macchine per Mammografia

Quali strumenti di diagnostica per immagini non invasiva, le macchine per mammografia sono fra le attrezzature più frequentemente usate dalla comunità medica per individuare i tumori del seno e le relative patologie. Per questo tipo di applicazione, un OEM di apparecchiature medicali ha richiesto un mezzo di monitoraggio dell'entità della forza fisica che viene esercitata sul paziente dalla macchina stessa, durante il rilevamento delle immagini. La soluzione proposta dal cliente doveva consentire la massima risoluzione delle immagini, pur mantenendo la posizione e la comodità del paziente e comunque evitando gli eccessivi spostamenti nella macchina. Questa sfida di applicazione fu risolta impiegando sensori di forza ad estensimetri sia bi che triassiali, con l'integrazione di sensori multiassiali ridondanti. I sensori sono stati montati negli attacchi superiore ed inferiore della macchina per mammografia, formando una bilancia piatta per monitorare la flessione della macchina; fu incorporato anche un arresto meccanico per evitare i sovaspostamenti e la ridondanza delle misurazioni. Quale risultato, il costruttore OEM fu in grado di apportare miglioramenti alla struttura della macchina per mammografia offrendo un posizionamento più accurato, miglior comodità per il paziente e miglior risoluzione delle immagini. Altre applicazioni di successo della tecnologia degli estensimetri HBM nel posizionamento e movimento di macchine medicali comprendono la regolazione dei tavoli operatori, dei letti per chiroterapia e le sedie per chirurgia dentistica.

Applicazioni per la Distribuzione 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 sensore di forza personalizzato all'interno della maniglia del sistema di sollevamento dal letto permette il miglior controllo del rateo di sollevamento e movimento del paziente.

Sistemi di Sollevamento del Paziente

I sistemi di sollevamento motorizzati sono un mezzo comune per il movimento ed il trasferimento dei pazienti dal loro letto alla sedia a rotelle o barella, ed anche per ruotare la loro posizione onde evitare lo sviluppo di polmonite e di piaghe da decubito. Un sistema consiste in un dispositivo a maniglia installato di fianco al letto del paziente, che viene tirato su richiesta per attivarne il movimento motorizzato. Quale requisito di questa applicazione personalizzata, uno dei maggiori produttori OEM di apparecchiature medicali richiese alla HBM di studiare un mezzo migliore per controllare l'appropriata distribuzione del peso, il baricentro e la velocità e coerenza dei movimenti del sollevamento motorizzato. L'integrazione di un sensore di forza ad estensimetri personalizzato all'interno della maniglia del sistema di sollevamento dal letto, permise al costruttore OEM un miglior controllo del rateo di movimento del sistema: applicando una quantità di forza proporzionale alla maniglia, il paramedico professionale è ora in grado di influenzare la velocità di sollevamento del dispositivo in modo molto facile da usare.

Pesatura Medicale

Le bilance medicali come quelle richieste per uso pediatrico, nella medicina veterinaria, nel monitoraggio sanitario domestico e per uso farmaceutico, sono tutti esempi di applicazioni medicali OEM che incorporano con successo la tecnologia degli estensimetri personalizzati HBM. La grande varietà di requisiti richiesti per queste applicazioni spazia dai sottoinsiemi capaci di misurare le nanodeformazioni od altri valori fino alle frazioni di grammo, ai sistemi di pesatura per oltre 250 kg. Un recente esempio di applicazione di successo nella pesatura medicale sviluppata dalla HBM è l'integrazione di una cella di carico in una piastra metallica per bilance pediatriche. La HBM costruisce il sottoinsieme ed il cliente fornisce semplicemente la piastra superiore per formare l'intera bilancia.

Apparecchiature Medicali Minimamente Invasive

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 di sottoinsiemi di sensori multiassiali con estensimetri personalizzati può aiutare gli OEM a sviluppare impianti chirurgici robotizzati di alta precisione con notevoli capacità prestazionali.

Chirurgia Robotica Remota

Una recente tendenza della comunità medica dell'Asia del Pacifico è stata l'adozione di metodologie robotiche per la chirurgia ortopedica. In questo tipo di applicazione, il chirurgo opera da lontano il paziente, pur mantenendo gli stessi livelli di precisione ed accuratezza delle operazioni chirurgiche in loco. Per tenere il passo con la richiesta dei nuovi impianti di chirurgia robotizzata, un importante produttore OEM di apparecchiature medicali necessitava di essere in grado di misurare con precisione sia la profondità di penetrazione che la forza di rotazione di un trapano durante l'intervento chirurgico a distanza dell'anca. Il costruttore OEM desiderava valutare accuratamente la profondità di foratura nell'osso sugli assi X, Y e Z, pur mantenendo ripetibile e precisa la posizione della punta dell'utensile del trapano. In tale contesto, il posizionamento si riferisce al moto pendolare interno ed esterno dell'utensile indicativo della misura della coppia di rotazione, con requisito della precisione di lavorazione di alcuni centesimi di millimetro. Per rispondere ai requisiti molto impegnativi di questa applicazione, la HBM progettò e costruì una serie di sottoinsiemi di sensori multiassiali ad estensimetri personalizzati, per misurare le forze e le corse sia in trazione che in compressione della penetrazione e dell'estrazione dell'utensile. Un ulteriore sensore ad estensimetri fu montato in configurazione perpendicolare per misurare la piena coerenza della deflessione e della corsa di foratura, garantendo così la posizione del paziente sul tavolo operatorio. Quale risultato, l'OEM di apparecchiature medicali fu in grado di introdurre sul mercato un dispositivo di chirurgia robotica di alta precisione con notevoli capacità prestazionali.

Pompe Medicali

Monitoraggio del Flusso del Fluido delle Pompe da Insulina

Per il monitoraggio del flusso dei fluidi, un OEM di apparecchiature medicali ha contattato la HBM per sviluppare un sensore ad estensimetri per il controllo dell'uscita del fluido di una pompa da insulina. La pompa è progettata per l'uso continuo sul corpo del paziente, per iniettare insulina in modo incrementale quale retroazione determinata dal monitoraggio integrato continuo del glucosio nel sangue, con il requisito aggiuntivo di consentire al paziente di ignorare se necessario la necessità di terapie su richiesta. La struttura del dispositivo è notevolmente compatta e può essere soggetta ad urti e vibrazioni durante la normale attività del paziente. Era perciò necessario un tecnologia ad estensimetri per sensori particolarmente robusti, precisi e leggeri. Per tale applicazione la HBM sviluppò un esclusivo sensore ad estensimetri subminiatura, posizionato e strategicamente indebolito per consentire sia il controllo manuale che automatico della quantità di insulina. Il successo riportato dall'integrazione di questa tecnologia ha reso l'incorporamento dei sensori ad estensimetri uno standard industriale per molti dei produttori di pompe di insulina leader nel modo.

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.
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.

Pompe Medicali da Infusione/Pompe a Siringa

Per il monitoraggio del flusso del fluido di una pompa medicale da infusione, la HBM ha sviluppato una serie di sensori ad estensimetri per monitorare e controllare il flusso del fluido per via endovenosa del farmaco che prima era iniettato nell'attacco del tubetto. La struttura del dispositivo doveva consentire la fornitura uniforme del fluido senza tuttavia entrare in contatto col fluido stesso. Per questa applicazione la HBM ha progettato e sviluppato un esclusivo sensore ad estensimetri da ca. 1 kg, posizionato e strategicamente indebolito per ottenere una configurazione a forma di lamina. Con la sua forma a lamina, l'insieme emula il comportamento di una molla perfetta, ritornando a zero quando il liquido cessa di fluire, con elevate prestazioni di ripetibilità e senza etrare in contatto col farmaco. I sensori furono applicati in numerosi punti strategici della pompa ed anche all'attacco del tubetto, consentendo non solo la misurazione del peso del fluido, ma rilevando anche l'incremento della perdita del fluido o lo svuotamento della sacca segnalando la necessità di sostituzione, oltre alle potenziali interferenze sul flusso continuo causate da fattori esterni quali la piegatura del tubetto od il blocco della vena. Questa specifica tecnologia è stata adottata in vari formati da numerosi costruttori OEM di pompe quale mezzo economicamente efficiente per il monitoraggio e controllo del flusso dei liquidi critici nell'anestesia endovenosa, nella gestione della terapia del dolore e nelle apparecchiature per la trasfusione del sangue, soddisfacendo le esigenze di cura dei pazienti sia negli ospedali che negli ambulatori.

Macchine per Dialisi Renale

Le macchine per dialisi dei reni incorporano la tecnologia dei sensori ad estensimetri per assicurare il flusso uniforme del fluido e la circolazione al rateo appropriato, in proporzione ed alla frequenza imposta dalla serie di parametri del dispositivo elettronico di controllo ad esse associato. La temporizzazione di questo sistema di misura del flusso è di importanza critica per il paziente, per garantire che come il sangue lascia il corpo e viene filtrato, avvenga il processo di ricircolo in un lasso di tempo sinergico. In queste applicazioni, le parti estensimetrate sono usate non solo per monitorare le pompe medicali, ma anche il peso dei contenitori sia del sangue che dei rifiuti ed il flusso dei fluidi endovenosi provenienti dall'alto, il tutto con lo scopo di assicurare la costante fornitura della terapia. In genere, i dati provenienti da questi sensori vengono usati dal sistema di controllo elettronico che gestisce il processo di dialisi. Per questa applicazione, La HBM ha progettato una serie di sensori ad estensimetri personalizzati, da usare insieme alle celle di carico per la pesatura e la misurazione dei contenitori. Grazie a questa tecnologia di integrazione globale, i produttori OEM sono in grado di garantire che i sistemi sia delle pompe che dei contenitori incorporino le necessarie verifiche e bilanciamenti che consentono l'adeguato svolgimento del processo di dialisi.

Conclusioni

Grazie alla sua struttura relativamente semplice, l'integrazione della tecnologia degli estensimetri personalizzati nei dispositivi ed apparecchiature medicali OEM presenta numerosi vantaggi. La progettazione relativamente a basso costo dei sensori ad estensimetri offre elevata accuratezza e ripetibilità oltre alla perfetta integrazione senza soluzione di continuità nella struttura di numerosi dispositivi non invasivi o minimamente invasivi. La notevole proprietà dei sensori ad estensimetri di essere modificati per adeguarsi agli specifici requisiti di misurazione dei clienti, ne facilita l'incremento dell'impiego nell'industria. Con oltre 60 di esperienza su centinaia di applicazioni, il team della HBM comprende molto bene il mercato e le sfide tecnologiche ad esso associate. Mediante la sua esclusiva capacità di produzione globale per sviluppare sensori OEM strumentati con estensimetri e con la realizzazione dei prototipi in meno di 24 ore, la HBM presenta continuamente un numero crescente di clienti altamente soddisfatti nell'ambito dei costruttori di dispositivi ed apparecchiature medicali, per le nuove opzioni di miglioramento dell'efficienza di progettazione e delle prestazioni.

Autori:

Robert Chevalier
Direttore Vendite Sensori della HBM America

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