医療向け圧力センサーの応用


"World Sensors Market in Healthcare Applications (2012-2017)"による報告書では健康管理の応用分野でのセンサーの市場は2017年までに131.1億円になるよと予測しています。この分析は温度や、化学物質、流体、レベル、位置、画像、バイオセンサーと同様に圧力の使用も含んでいます。事実、低価格のマイクロエレクトロメカニカル・システム(MEMS)の圧力センサーは増加中の携帯用健康管理の製品のための一つの要素となっています。20129月に市場調査会社HISによるMEMS市場の概要である“Applications for Medical MEMS Pressure Sensors,”によれば、圧力センサーは現在収益面においてはMEMSセンサーの主要な種類となっています。医療、健康管理の応用において、圧力センサーはいくつかの異なる測定に使われています。

病院や携帯用ベンチレーター

オールセンサーズは10年以上世界中で第一線のベンチレーターや呼吸器向け圧力センサーを提供してきました。弊社の評価は、オールセンサーズの圧力センサーを重要な集中治療向けに採用した医療産業の主要企業から認められてきました。例えば、ベンチレーターは重大な怪我や病気によって自然に呼吸が出来ない患者の呼吸を支援します。図1に示されていると通り、空気と酸素の混合気は患者の口や鼻、器官に取り付けられたチューブを通して患者の肺に届けられます。比較的低い圧力(通常10cmH2O /1KPa)で患者に空気を送る時、正しく肺が膨らんでいるか監視します。ベンチレーターは一般的に命に関わる状況において重大な患者に使用されます。製品が正常に機能したり信頼できるものである事を保証するために設計する際に、ベンチレーターが高品質の圧力センサー(トランスデューサー)を有効に活用する事は必須です。オールセンサーズの圧力センサーは現在携帯用ベンチレーターと同様に病院内や幼児用ベンチレーターにも使われています。

1 ベンチレーター用圧力センサーにおける典型的な部品とその位置

酸素濃縮と酸素治療

酸素濃縮は患者の酸素治療のために使われます。酸素治療は高レベルの酸素濃度を体内の主要組織や臓器に届ける治療法です。自然の大気よりも高酸素濃度を必要とする患者は酸素濃縮器を使い高酸素の空気を取り込みます。酸素濃縮器を必要とするいくつかの病気としては、ぜんそく、慢性気管支炎、貧血、肺水腫、うっ血性心不全などがあります。低差圧測定器の流量は通常23kPAです。

2 酸素濃縮器は流量と圧力検知の両方の圧力損失測定器を使用します。

酸素濃縮器は高い正確性と高い繰り返し性のある圧力センサーを必要とします。この市場はコマーシャル(医療用)と自宅で使用される携帯用機器の両方から成り立っています。酸素濃縮器は禁煙できない人々、肺の損傷や他の応用にも使われています。外科手術を行っている患者も手術前後で濃縮された酸素が必要となります。

医療用圧力センサーは患者に送られる酸素タンクのレベル(2,000psi(136Bar)もしくはそれ以上)と酸素の流量(約4kPa)を監視しています。圧力センサーは大気から直接濃縮酸素(通常2 bar)となるモジュールでも必要とされます。

新しい酸素療法の形は高圧酸素療法(HBOT)として知られています。HBOTは大気中よりも高く圧縮された酸素を送る事によって作られます。この治療法はハードシェル、ソフトシェルのいずれかを有する特別な密閉室内の患者に届けられます。ソフトシェルの密閉室に患者がいる時(4.4~7.3psi)に圧縮されています。HBOT療法は熱傷や動脈閉鎖、動脈ガス塞栓症(AGE)、一酸化炭素被毒、脳外傷,を伴ったガス壊疽、慢性疲労症候群、免疫機能不全やその他の病気の治療にも使われています。

睡眠時無呼吸症候群は世界中で見られる病気です。睡眠時無呼吸症候群は睡眠中に呼吸が止まったり、呼吸が少なくなったりします。呼吸の中断は数秒から数分続きます。呼吸の中断によって深い眠りから軽い眠りへと睡眠パターンを崩します。これが起こる時、患者は一日中不十分な休息や眠気、疲れを感じます。この病気は医者の診断によって発見されることはないため、通常患者の睡眠パートナーによって発見されます。若者や年配に限らず、睡眠時無呼吸症候群は様々な年齢層の人々がなる病気です。睡眠時無呼吸症候群を治療しなければ、高血圧や心臓発作、心不全、不整脈と言った病気になる可能性が高まると可能性がでてきます。

睡眠時無呼吸症候群はCPAP(持続気道陽圧)マシンとしてしられる医療機器によって治療されます。図3にあるように、この機器は患者の気道へ圧力をかける事によって機能します。この機器は睡眠中に空気を送るために患者にフェイスマスクを取りつけます。患者は寝る時は常にこの機器を着用する必要があります。医療用圧力センサー(通常4kPa)は患者に送られる空気圧を測定する為に使われます。

3 睡眠時無呼吸症候群の治療には圧力測定のための差圧センサーや低圧センサーが必要です。

手術室とその他

すでに検討されている応用以外に、圧力センサーはさまざまな医療用製品に使われています。これらの機器の多くは病院の手術室で医者の支援をしています。ゲージ、もしくは差圧測定は流体やガス、空気堆積量と同様に体積流量率を計算するのにつかわれます。その他のモニタリングそして(もしくは)コントロールのために圧力測定を使用する医療用製品での例としては、薬配送システム、肺活量を測定するための肺活量測定機器、侵襲的、非侵襲的、体内、体外血圧、腹部手術中の胃腸(GI)内圧、目の手術後の治療、緑内障の治療のための眼内圧測定、などがあります。図4は電気による薬配送システムや関連する圧力測定を示しています。

血圧は低血圧の患者は普通の人の血圧(120/80 mmHg)よりも低く(90/60 mmHg)、高血圧の患者はより高く(140/90 mmHg)なります。通常の血圧測定では、高い方の値をシストリックと呼び、低い方の値をディサトリックと呼びます。いくつかの血圧やそのほかの医療の値の波形で新たな診断上の詳細が分かります。表1は圧力センサーの主要な医療応用をまとめたものです。

測定             タイプ  タイプ

気圧             絶対   760 Torr(101.3kPa)

体内血圧           絶対   80/120-mm (300 mm Hg, max)

体外血圧                          ゲージ      80/120-mm (300 mm Hg, max)

眼球内圧力 (IOP)              ゲージ      15 mm Hg

真空 (光媒体)             ゲージ      760 から 25 Torr (100 から 3 kPa)

液体、気体流動                  差圧         適用例による

薬配送(液体流動)               差圧         流動率 (0.5-10.0 microliters/min)

人工呼吸器(空気流動)         差圧    4 kPa

ベンチレーター (空気流動)  差圧         25 cm H20

肺活量計 (空気流動)           差圧         4 kPa

酸素濃縮                           ゲージ     4 kPa

高圧酸素 (HBOT) ハード     ゲージ     87 psi (6 bar)

高圧酸素 (HBOT) ソフト     ゲージ     0.3 and 0.5 bar (4.4 and 7.3 psi)

酸素タンク                        ゲージ     2,000 psi (136 bar)

睡眠時無呼吸症候群(CACP)  差圧        4 kPa