Technologie de jauge de contrainte dans les dispositifs médicaux OEM

Les niveaux de contrainte mécanique le plus généralement mesurés avec des jauges de contrainte sont très faibles et précis. Par conséquent, les changements de résistance sont également très faibles et ne peuvent donc pas être mesurés directement avec un ohmmètre. La jauge de contrainte doit donc être incluse dans un système de mesure où une détermination précise du changement de résistance de la jauge de contrainte est possible. Pour ce faire, un circuit en pont de Wheatstone doit être créé.

Cliquez ici pour agrandir l’image.

Une jauge de contrainte comprend le premier composant de ce circuit en pont de Wheatstone, car la jauge de contrainte convertit la contrainte mécanique en un changement de résistance électrique. La jauge de contrainte et le circuit de mesure sont des composants passifs. Chaque jauge de contrainte est ensuite câblée dans un pont équilibré, composé de deux parties d’une valeur résistive égale, formé dans un circuit en pont de Wheatstone. Quelle que soit la configuration du pont, l’énergie doit être passée à travers la jauge pour exciter le circuit. Le circuit doit avoir une source d’énergie d’entrée pour obtenir un signal utile. Cette énergie auxiliaire est prélevée sur une source distincte. Une tension électrique constante est généralement utilisée, mais une source d’alimentation à courant constant peut également être appliquée.

Lorsque même le moindre changement dans la résistance de la jauge de contrainte dû à une contrainte est détecté, le circuit en pont perd sa symétrie et devient déséquilibré. On obtient ainsi une tension de sortie du pont qui est proportionnelle au déséquilibre du pont. S’il n’y avait pas de changement de valeur de la résistance équilibrée, la sortie électrique serait nulle.

En moyenne, une jauge de contrainte peut mesurer 1/10 000 micro-déformation, soit suffisamment pour détecter une petite vibration de 1 dB dans une pièce de 10 pieds. Ainsi, les possibilités de mesure pour diverses applications ont, littéralement, une plage infinie. Un amplificateur doit être inclus dans le processus de mesure pour amplifier la tension de sortie du pont à un niveau approprié pour la compatibilité avec les instruments indicateurs ou les ordinateurs de surveillance. Parfois, les amplificateurs sont conçus pour donner une sortie proportionnelle à la sortie du pont en tension.

Conceptions d’équipement

L’utilisation de la technologie de jauge de contrainte personnalisée dans les dispositifs et équipements médicaux OEM implique des applications critiques et non critiques, allant de la chirurgie robotique de haute précision au positionnement des machines de mammographie, en passant par la distribution du poids de la balance du patient et les mesures de pression et de débit de pompes médicales. Quelques exemples généraux des centaines d’applications réussies de la technologie des jauges de contrainte développées par HBM sont détaillés ci-dessous.

Machines de numérisation CAT. En tant que dispositif médical non invasif d’une importance critique pour des diagnostics précis dans le domaine de la radiologie, les machines de tomodensitométrie nécessitent un positionnement de table à haute répétabilité, ainsi qu’une répartition égale du poids du patient et un mouvement de précision du dispositif d’imagerie par tomodensitométrie. La précision est requise pour exécuter des fonctions d’imagerie de haute précision tout en empêchant le déplacement excessif du patient placé dans le tube de balayage. Dans cet environnement, l’incorporation d’un sous-ensemble de jauge de contrainte multi-axes s’est avérée efficace comme moyen de mieux assurer le mouvement et le positionnement fluides et cohérents de la table, tout en ajustant la répartition du poids. Ces améliorations de conception, créées par l’incorporation réussie de la technologie des jauges de contrainte HBM, ont facilité la fabrication de machines d’imagerie de diagnostic médical plus précises.

Appareils de mammographie. Les appareils de mammographie sont parmi les équipements les plus couramment utilisés par la communauté médicale pour détecter les tumeurs du sein et d’autres anomalies. Pour ce type d’application, un équipementier médical HBM avait besoin d’un moyen de surveiller la quantité de force physique appliquée au patient par la machine elle-même lorsqu’il tentait de prendre une image. La solution client proposée devait permettre la résolution d’image la plus élevée possible tout en maintenant la position et le confort du patient et en évitant les déplacements excessifs des machines. Pour résoudre ce défi d’application, l’utilisation de capteurs de force à jauges de contrainte doubles et triaxiales avec l’incorporation d’un capteur multi-axes redondant a été recommandée. Les capteurs ont été montés sur les pinces supérieure et inférieure de la machine de mammographie, formant une échelle d’article plat pour surveiller la flexion de la machine, tout en incorporant une butée mécanique pour empêcher la protection contre les surcharges et la redondance des mesures. En conséquence, l’OEM a pu introduire des améliorations dans la conception des machines de mammographie qui offraient un positionnement plus précis, un degré plus élevé de confort pour le patient et une résolution d’image améliorée.

Systèmes de levage des patients. Présents principalement au sein de la communauté européenne, les systèmes de levage motorisés sont un moyen courant de déplacer ou de transférer des patients de leur lit vers des fauteuils roulants ou des civières. Ils sont également utilisés pour transformer les patients afin de minimiser le risque de développement de pneumonie ou d’escarres. Le système se compose d’un dispositif de poignée installé au chevet d’un patient, qui est tiré pour activer le mouvement motorisé à la demande. En incorporant un ensemble de détection de force à jauge de contrainte personnalisé dans la poignée du lit du système de levage, un fabricant de dispositifs médicaux de premier plan a pu obtenir un meilleur contrôle sur la vitesse de mouvement du système, grâce à quoi un professionnel de la santé pouvait appliquer proportionnellement une force sur la poignée pour obtenir le moteur motorisé le plus souhaitable. vitesse de levage avec une plus grande facilité d’utilisation.

Pesée médicale. Les ensembles de balances médicales, tels que ceux requis pour la pédiatrie, la médecine vétérinaire, la surveillance de la santé à domicile et l’utilisation pharmaceutique, sont tous des exemples d’applications OEM médicales qui ont intégré avec succès l’utilisation de la technologie de jauge de contrainte personnalisée. Les exigences très variées de ce type vont des sous-ensembles capables de mesurer des nanostrains ou d’autres valeurs à une fraction de gramme, aux systèmes de pesage pour mesurer jusqu’à 500 lbf.

Chirurgies robotiques à distance. Une tendance générale récente au sein de la communauté médicale Asie-Pacifique a été l’adoption de méthodologies robotiques pour la chirurgie orthopédique. Dans ce type d’application, un médecin est capable d’opérer à distance sur un patient tout en conservant les mêmes niveaux de précision et d’exactitude qu’une intervention chirurgicale sur site. Pour suivre le rythme de la demande de nouveaux équipements chirurgicaux robotisés, un important équipementier médical devait être en mesure de mesurer avec précision la profondeur de la force et la force de rotation du foret lors de la réalisation d’opérations de la hanche à distance. Le fabricant avait besoin d’évaluer avec précision la profondeur à laquelle percer l’os sur les axes X, Y et Z, tout en conservant la possibilité d’entrer et de sortir du foret via la mèche avec un positionnement robotique hautement reproductible et précis. Le positionnement dans ce contexte fait référence au mouvement de torsion « entrée/sortie » du foret, indicatif d’une mesure de couple de rotation, avec des exigences de précision de fabrication à des dizaines de millièmes de pouce. Pour répondre à ces exigences d’application, une série de sous-ensembles de capteurs à jauge de contrainte multi-axes personnalisés ont été conçus en modes de compression et de tension pour mesurer la force et le mouvement vers le bas et vers le haut, tandis qu’un autre capteur de jauge de contrainte a été monté dans une configuration perpendiculaire pour mesurer la déflexion complète, cohérence du mouvement de forage et assurer le positionnement du patient sur la table d’opération. En conséquence, l’équipementier médical OEM a été en mesure d’introduire un dispositif chirurgical robotique de haute précision avec une plus grande précision et des capacités de performance.

Pompes médicales. La technologie des jauges de contrainte personnalisées a été largement intégrée dans les dispositifs de perfusion médicaux, tels que les pompes à insuline et les appareils de dialyse, comme moyen de prédire avec plus de précision le débit de fluide et d’assurer un flux constant de médicaments vitaux au patient. Pour la surveillance du débit de fluide, un équipementier de dispositif médical avait besoin d’un ensemble capteur de jauge de contrainte de 1,5 lbf qui était positionné et stratégiquement affaibli pour former une configuration en forme de lame. Avec sa forme de lame, l’ensemble imite le comportement d’un ressort parfait, revenant à zéro lorsque le liquide cesse de couler. L’utilisation de cette technologie spécifique dans les dispositifs médicaux finis a été adoptée par de nombreux équipementiers médicaux comme moyen rentable de prédire le débit de liquide critique.

Robert Chevalier est directeur des ventes de capteurs pour HBM Inc. Molly Chamberlin, présidente et fondatrice d’Embassy Global PR et Marketing Communications, LLC, a co-écrit cet article.

Cliquez ici pour plus d’informations.