Tecnología de sensores para aplicaciones de salud y estado físico

La determinación del estado de nuestra salud siempre ha sido una cuestión de encontrar la manera de monitorear y medir las funciones más básicas del cuerpo. Antes de la instrumentación, se utilizaban indicadores visuales que nos permitían saber, por ejemplo, la temperatura corporal adecuada, el pulso saludable y la frecuencia respiratoria aceptable.

Actualmente, con una población que envejece, más personas necesitan algún tipo de monitoreo de la salud portátil. Este puede tomar la forma de dispositivos que, entre otras cosas, administran medicación en intervalos regulares, estimulan el corazón o miden los niveles de azúcar en la sangre e inyectan insulina. Este artículo examina las tecnologías de sensores para la salud y el estado físico (de contacto, sin contacto, colocadas en la piel, subcutáneas o internas) que ahora o próximamente estarán disponibles para los ingenieros de diseño. Todas las piezas, las herramientas y los datos a los que se hace referencia aquí se pueden encontrar en el sitio web de DigiKey.

Comienzos simples

La forma más simple de un sensor es un transductor, que puede ser tan simple como dos sustancias distintas poniéndose en contacto. El elemento del sensor real se puede fabricar como un pequeño y discreto componente con plomo, o como parte del ensamblaje de una sonda o un electrodo. Pueden ser tan delgados como un cabello y efectivamente pueden generar voltajes por sí mismos. Los termoparesson un ejemplo de sensores generadores de voltaje de distintos metales que crean voltajes basados en temperaturas. Las piezas como elOmron E52-CA15AYD32 4M, sin conexión a tierra, por ejemplo, miden temperaturas mediante un elemento tipo K, con un tubo protector de 3,2 mm que se puede montar en la piel o en una fisura estacionaria.

Se pueden aprovechar los efectos piezoeléctricos para crear energía a partir de un sensor integral diminuto cuando se expone al impacto y la vibración. Un sensor óseo pequeño, poco invasivo, podría indicar demasiado trauma físico para un jugador de fútbol en tiempo real para evitar una lesión más grave. La miniaturización de los sensores piezoeléctricos significa que ahora se pueden entrelazar en tejidos, vendajes o prendas de vestir. Los sensores hoja como el TE Connectivity 2-1004347-0 son flexibles, plegables y se pueden cortar para estados muy específicos (figura 1). Una plantilla para calzado, por ejemplo, podría determinar si se está generando mucha presión en las pisadas hacia abajo para diagnosticar problemas en la espalda o las articulaciones.

Mientras los transductores son útiles para recoger las condiciones del mundo real, necesitan calibración, linealización y compensación por los efectos de desviación y temperatura. Es por esto que los sistemas de transductores integrados con electrónica pequeña, inteligente y de nivel de sistema pueden convertir estos dispositivos en sistemas de monitoreo e información autónomos.

Somos lo que usamos

Los investigadores y los fabricantes actualmente están examinando los dispositivos ponibles de uso médico y de estado físico para las masas. Un lugar en el que hay proyectos activos en marcha es la Universidad de Illinois, en donde se están desarrollando dispositivos de última generación que pueden medir el esfuerzo de energía, el ritmo y la variabilidad cardíaca, y los signos EEG/EKG (figura 2). Utilizados como parches descartables, estos sensores adhesivos pueden comunicarse de forma inalámbrica con un concentrador o un enrutador que realiza el procesamiento necesario o pasa los datos a una nube o servicio de supervisión médica. También se puede utilizar un teléfono inteligente local.

Figura 2: Los sensores adhesivos son sistemas de medición autónomos diseñados específicamente para monitorear y alertar al usuario y a los servicios de supervisión médica en cualquier parte del mundo.

Este es solo un ejemplo de cómo los transductores integrados con la electrónica de sistemas pueden dar lugar a dispositivos médicos pequeños y compactos que no son muy invasivos. Los sensores entrelazados en tejidos se pueden utilizar como una forma de monitorear una condición fisiológica sin cirugía o sin la necesidad de llevar estuches médicos a todas partes. Una tecnología así existe en la forma de medias inteligentes, en las que los tejidos están impregnados con sensores de presión y pueden registrar las pisadas, la velocidad, las calorías y la distancia. No obstante, hacen más que eso. Estas medias también pueden detectar la altitud y de este modo se pueden ajustar los niveles de oxígeno según la densidad de oxígeno disponible.

Otro beneficio adicional de estas medias inteligentes es la capacidad de monitorear y medir la fuerza de aterrizaje del pie. La distribución del peso mientras caminamos y pisamos puede transferir fuerza, impacto y presión a través de los huesos, las articulaciones y las vértebras. Un problema crónico de espalda se puede rastrear directamente hasta la forma de caminar de una persona y puede corregirse fácil y rápidamente una vez que la tecnología está en su lugar para detectar y cuantificar esto, incluso en tiempo real mediante el uso de un teléfono inteligente para alertar a la persona si está agravando la situación (figura 3).

Figura 3: Las medias inteligentes con sensores integrados entrelazados en tejidos pueden enviar datos en tiempo real a un teléfono inteligente para ayudar a las personas con dolor crónico de espalda y articulaciones a saber cuándo están agravando la situación y a cambiar su patrón de marcha.

Generar bytes de los mordiscos

Un diseño innovador, que ha estado en mente durante décadas, es la electrónica implantada dentro de un diente. Recientemente, los investigadores de la Universidad de Taipei crearon un sensor inteligente en un diente que puede monitorear, registrar y enviar datos cuando se activa al fumar, beber, toser, hablar o dejar de respirar. Con una precisión del 94 %, este implante utiliza tecnología Bluetooth para comunicarse y puede colocarse dentro del empaste (figura 4).

Figura 4: Los sensores implantados en el diente pueden detectar tanto sustancias químicas como actividades físicas y alertar a los receptores a nivel local cuando se está fumando, bebiendo o se deja de respirar.

Los dientes son un caso especial ya que se puede generar y recolectar suficiente fuerza y presión mediante las tecnologías de recolección de energía (por ejemplo, la tecnología de piezoelectricidad mencionada anteriormente) para alimentar a los sensores. La recolección de energía para sensores utilizados sobre el cuerpo (o en el cuerpo) es otro foco de atención de los investigadores de la Universidad de Illinois. Crearon un parche mecánico de recolección de energía que captura y almacena energía de un corazón que late (figura 5). El sustrato de bioplástico aloja el sensor y el sistema de circuitos de acondicionamiento de energía y es capaz de medir la producción de energía muscular o detectar cuando un atleta ha entrado en calor o está muy fatigado. Se ha demostrado que simplemente con doblar y desdoblar el recolector se carga la batería de 3,8 voltios.

Las ramificaciones de la recolección de energía son enormes para aquellos que requieren asistencia en la forma de marcapasos. En lugar de pasar por una cirugía abierta de tórax en intervalos programados regularmente para reemplazar las baterías, la prótesis reguladora implantada se podría recargar sola continuamente.

Figura 5: Los parches de recolección de energía como este se pueden insertar en el corazón o los pulmones, y utilizan la energía generada por el movimiento físico para cargar y alimentar otros sensores y sistemas electrónicos sobre o dentro del cuerpo.

Ahora más que nunca, la tecnología implantable está lista para convertirse en parte de nuestra vida cotidiana. Un ejemplo es el asistente para la salud digital desarrollado en Inglaterra. Este es un sensor implantable utilizado para detectar problemas de salud mediante la detección de los cambios en el movimiento, los hábitos, la dieta, el ritmo cardíaco, el humor y otras funciones metabólicas.

Se debe marcar, en particular, la detección del humor. Esto abre la posibilidad de soluciones tecnológicas en el nuevo (para los sensores, al menos) territorio de la biodepresión. Es posible que en poco tiempo veamos detectores que realmente administren medicación contra la depresión cuando sea necesario.

De una manera similar, la tecnología de sensores de venas pueden darle un nuevo significado al viejo dicho “nada es sagrado”. Incluso la intimidad conectada se puede monitorear en cualquier parte con dispositivos como el brazalete Tactilu¹ , que es capaz de transmitir caricias entre los usuarios. Imagine un cinturón de castidad digital implantado en nuestra exuberante adolescencia.

En conclusión

Nuestra comprensión de la medicina nos está permitiendo ser más invasivos en la exploración y el monitoreo de los procesos internos que afectan nuestra salud. Esta tendencia continuará a medida que los médicos encuentren formas de agregar más sensores destinados a indicadores metabólicos específicos. A medida que se incorporan sensores nuevos e inteligentes para el uso sobre y dentro del cuerpo, más estaremos caminando, hablando, comiendo y durmiendo mientras los sensores activos detrás de escena monitorean nuestro bienestar. Nos estamos convirtiendo en nodos de datos inalámbricos en nuestra red conectada a nivel global. Esperemos que nadie logre hackearnos.

Para obtener más información acerca de las piezas en este artículo, use los enlaces proporcionados para acceder a las páginas del producto en el sitio web de DigiKey.

Referencias

1. Tactilu