Alimentando Dispositivos Médicos: Principais Tendências e Considerações de Projeto

Dispositivos Médicos

Vivemos em um mundo conectado digitalmente. Evidenciado pelo uso de smartphones, smartwatches e outros dispositivos inteligentes, não há como acabar com essa tendência. Isso já é realidade em muitos setores e aplicações, mas é especialmente presente em dispositivos médicos – um mercado que deve atingir US $ 432,6 bilhões em 2025.(1)

Com o surgimento da saúde conectada, dispositivos médicos, como wearables, estão sendo alimentados por sensores em uma taxa cada vez maior, impulsionada em grande parte pelo impacto da pandemia global COVID-19 e do crescente investimento dos provedores de saúde em monitoramento remoto. Não há apenas um aumento na adoção de tecnologias médicas vestíveis, mas também em dispositivos que são miniaturizados, otimizados para Inteligência Artificial e que incorporam impressão 3D. (2)

Os fabricantes de dispositivos médicos enfrentam o desafio de dispositivos significativamente menores e mais leves, mas ainda precisam muní-los com potência máxima e latência mínima. Mais do que nunca, eles devem considerar o espaço cada vez menor dos dispositivos médicos de última geração nas modalidades diagnósticas, terapêuticas e de monitoramento de pacientes, mantendo o conforto, a conveniência e a facilidade de uso do paciente como prioridade.

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Fig. 1 – Modalidades de diagnóstico, terapêutica e monitoramento médico definiram o cenário para dispositivos médicos vestíveis conectados. (Crédito: Molex)

Avanços de tecnologia emergente em Dispositivos Conectados

Modalidades de diagnóstico, terapêutica e monitoramento médico definiram o cenário para dispositivos médicos vestíveis conectados. Vamos dar uma olhada nos avanços tecnológicos emergentes em cada uma dessas três modalidades de dispositivos principais conectados e, em seguida, explorar as principais considerações de projeto que os fabricantes de dispositivos precisam integrar no futuro.

Diagnóstico – Contínuo e Proativo

A jornada médica de um paciente começa com um diagnóstico preciso, à medida que informa as decisões de saúde subsequentes. As modalidades comuns de diagnóstico incluem angiografia, ultrassonografia, radiografia convencional, tomografia computadorizada (TC), cintilografia óssea e ressonância magnética (MRI). Todos esses modos exigem sistemas grandes, complexos e caros que exigem que o paciente entre em uma instalação médica com resultados que muitas vezes podem levar vários dias para serem recebidos e com uma taxa de erro maior dentro de um ambiente hospitalar em comparação a um local onde o paciente reside.(2)

A tecnologia de diagnóstico médico está evoluindo de tratamentos reativos para prevenção e diagnóstico proativo de doenças e distúrbios. Conforme o sistema de saúde muda de um modelo de taxa por serviço para um modelo de provedor gerenciado, há um foco maior na qualidade versus quantidade de atendimento. Além disso, os próprios pacientes desejam mais controle e percepção sobre o gerenciamento de sua própria saúde. O diagnóstico médico de última geração é um facilitador chave para essas transformações.

No entanto, para que o diagnóstico desempenhe um papel mais significativo no processo de saúde, ele deve primeiro se tornar mais contínuo. Esse movimento em direção ao “diagnóstico contínuo” é possibilitado pelas mesmas inovações que habilitaram os smartphones e dispositivos vestíveis. De aplicações que podem substituir um estetoscópio ou monitorar os movimentos de pacientes com Parkinson, a dispositivos adicionais que monitoram continuamente os níveis de glicose no sangue (CGM), a tecnologia está provando ser indispensável para revolucionar o diagnóstico médico.

Além dos sensores implantáveis ​​feitos de materiais biocompatíveis, as inovações nos processos de fabricação agora permitem sensores baratos e até descartáveis. Quase tão finos quanto um adesivo, eles se fixam na pele do paciente para monitoramento contínuo de biossinais por meio de eletroencefalogramas (EEGs), eletrocardiogramas (ECGs), oximetria de pulso e resposta galvânica da pele. Os dados desses sensores podem ser transmitidos usando tecnologias de energia muito baixa, como NFC, para um receptor que o paciente pode prender em suas roupas ou usar como smartwatch. De lá, os dados podem ser retransmitidos para o portal de um médico ou diretamente para a nuvem usando tecnologias sem fio mais poderosas, como Bluetooth ou Wi-Fi.

Dispositivos de diagnóstico – junto com novos tipos de sensores flexíveis, inteligência artificial e hardware de coleta de energia – estão se unindo na base que tornará o diagnóstico médico contínuo uma realidade. Em breve, essa tendência permitirá que os pacientes monitorem sua saúde 24 horas por dia, 7 dias por semana, com a mesma precisão e detalhes que historicamente só é possível com equipamentos caros de nível hospitalar.

Terapêutica – Tratamento sob demanda

A aceitação da tecnologia de monitoramento médico de uso doméstico está impulsionando a expansão desses dispositivos para também fornecer alívio terapêutico, mudando a terapia do ambiente clínico para o ecossistema do paciente.

Graças aos smartphones, ao hardware barato, porém de fácil utilização, e aos avanços nos algoritmos de software da próxima geração, as terapias agora podem ser administradas automaticamente sem intervenção médica profissional. Com o advento do movimento “saúde conectada”, os pacientes do futuro poderão receber terapias automaticamente onde e quando precisarem de cuidado (ver Figura 1). A combinação de modalidades terapêuticas e de monitoramento dará aos pacientes tempo para viver suas vidas de seu próprio jeito, em vez de viver suas vidas em torno de seus tratamentos.

A terapêutica abrange uma vasta gama de tecnologias e metodologias. Algumas modalidades terapêuticas dignas de nota incluem estimulação elétrica, como estimulação nervosa elétrica transcutânea, corrente interferencial e estimulação cerebral profunda (DBS), que é essencialmente um “marca-passo cerebral” para o tratamento de Parkinson e até mesmo pacientes de Alzheimer.

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Fig. 2 – Os recursos de EKG mais recentes de dispositivos de rastreamento de bem-estar permitem que os usuários detectem a fibrilação atrial. (Crédito: Molex)

Vários avanços de ponta estão evoluindo. Por exemplo, terapias térmicas como termoterapia e crioterapia são úteis no tratamento de tecidos moles e lesões músculo-esqueléticas. Espera-se que os sistemas de entrega de medicamentos se expandam muito além da tecnologia de décadas, como bombas de insulina e nebulizadores. Por exemplo, para aqueles que sofrem de apnéia do sono, máquinas de CPAP (pressão positiva contínua nas vias aéreas) têm sido a terapia prescrita há muito tempo. No entanto, essas máquinas pesadas estão dando lugar a tecnologias implantáveis, graças aos avanços na miniaturização da tecnologia e na ciência dos materiais. Esses mesmos avanços produzirão novos tratamentos implantáveis ​​para marcapassos de última geração e terapias de neuromodulação. Completando a lista estão as terapias baseadas em ultrassom, lasers e até mesmo hardware robótico para uso em cirurgias, fisioterapia e atendimento domiciliar ao idoso.

A telemetria de monitoramento de pacientes e dispositivos terapêuticos será transmitida de volta para seus provedores de saúde em tempo real por meio dos smartphone ou outra conexão sem fio. Os médicos, então, ajustarão remotamente o regime de terapia de cada paciente conforme necessário. Finalmente, mais terapias também se tornarão não invasivas. Percutânea (entrega de ingredientes ativos através da absorção pela pele), entrega por orifício natural e tecnologias de radioterapia minimamente invasivas são preparadas para tornar isso uma realidade.

Monitoramento médico – Dispositivos multifuncionais

Depois que um paciente é diagnosticado com precisão e o tratamento terapêutico é prescrito, o monitoramento médico é crucial para entender como o corpo está respondendo às terapias e para mitigar os efeitos de uma doença ou outra enfermidade física.

Desde os primeiros dias de um pedômetro mecânico a um smartwatch digital, as tecnologias de hoje começaram a integrar mais funcionalidades em um dispositivo e são de extremo valor para populações de pacientes de alto risco que sofrem de condições crônicas. Por exemplo, monitores de ECG vestíveis e monitores de pressão arterial também podem rastrear os sinais vitais de um indivíduo, armazenando até 100 leituras por vez. Sistemas de monitoramento mais sensíveis, como um adesivo usado por um paciente, podem reunir sinais vitais extensos, incluindo frequência cardíaca, temperatura e muito mais. A tecnologia de monitoramento de glicose agora permite que pacientes diabéticos monitorem seus níveis de açúcar no sangue onde e quando precisarem. Os recursos de EKG mais recentes de dispositivos de rastreamento de bem-estar permitem que os usuários detectem a fibrilação atrial, gerando dados que podem ser uma questão de vida ou morte para aqueles com histórico de problemas cardíacos (consulte a Figura 2).

O avanço da tecnologia de biossensores liberta os pacientes de dispositivos volumosos por serem sem fio, com comunicação sem fio e incrivelmente leves – tudo em um formato descartável, fácil de usar e de baixo custo. Circuitos flexíveis, sensores de baixa potência e antenas impressas permitem que hardware de monitoramento médico conveniente e confortável seja afixado ou mesmo implantado em um paciente. O hardware de monitoramento pode até mesmo aproveitar um smartphone ou outro acesso à Internet sem fio como um gateway para serviços baseados em nuvem, onde os dados do dispositivo de monitoramento de saúde de um paciente podem ser armazenados.

Três principais considerações de design para dispositivos médicos

Novos desenvolvimentos na tecnologia de dispositivos médicos que oferecem suporte a modalidades de monitoramento diagnóstico, terapêutico e médico estão claramente posicionados para mudar o jogo para o ecossistema de saúde conectado.

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Sensores condutores transparentes, como o Molex PEDOT, oferecem flexibilidade e circuitos translúcidos, permitindo a iluminação de fundo do teclado em superfícies curvas para painéis de interface de usuário capacitivos. (Crédito: Molex)

Os fabricantes de dispositivos médicos terão cada vez mais a tarefa de projetar dispositivos discretos que sejam flexíveis, leves e confortáveis, ao mesmo tempo que transmitem dados em tempo real entre pacientes e profissionais de saúde. Para enfrentar os obstáculos que podem dificultar a transmissão de dados que salvam vidas, os projetistas devem considerar a otimização do espaço para os componentes em meio à crescente miniaturização dos dispositivos. Eles devem abordar como alimentar esses dispositivos com capacidade limitada da placa de circuito impresso e, simultaneamente, aumentar a integridade do sinal. Aqui estão as três principais considerações de design a serem levadas em consideração:

Sensores condutores transparentes, como o Molex PEDOT, oferecem flexibilidade e circuitos translúcidos, permitindo a iluminação de fundo do teclado em superfícies curvas para painéis de interface de usuário capacitivos. (Crédito: Molex)

  1. Otimização de componentes e espaço. Ao monitorar os dados do paciente fora de um ambiente hospitalar, os wearables no paciente devem ser mais compactos em comparação com dispositivos médicos grandes e volumosos. Como esses vestíveis são menores, componentes menores são necessários para manter o fornecimento de energia e permitir que tecnologias como sensores sejam integrados ao dispositivo. Dada a pegada reduzida, os projetistas devem considerar a otimização do espaço à medida que o espaço da placa se torna mais restrito. Com os novos microconectores que estão atualmente no mercado, bem como outros que podem ser personalizados, os projetistas são capazes de lidar com essas limitações de espaço. Outra maneira de contornar a modularidade das restrições de espaço é utilizar circuitos flexíveis para permitir componentes miniaturizados para maior funcionalidade do dispositivo.
  2. Integração de circuitos flexíveis. Os dispositivos estão se tornando mais ricos em recursos, apesar de seus tamanhos serem cada vez menores. Os complexos sistemas eletrônicos necessários para a funcionalidade de um dispositivo médico também precisam acomodar componentes adicionais que vinculam uma interface amigável ao paciente com uma conexão de dados em tempo real com o provedor de saúde. Essas tecnologias incluem circuitos para o corpo do paciente para capturar resultados de monitoramento melhores e mais profundos. Um dispositivo opcional a ser considerado pelos projetistas são os circuitos impressos flexíveis (FPCs) e cabos e conectores associados. Isso prova ser uma grande vantagem porque seu design leve, flexível e menor atende aos critérios rigorosos para dispositivos médicos vestíveis. Além disso, as antenas podem ser impressas no substrato de um circuito flexível para transmitir sinais vitais ou biométricos de maneira não invasiva, contínua e econômica.
  3. Máxima potência e alta integridade de sinal. Os projetistas de dispositivos médicos devem considerar opções discretas de fio para placa e flex-to-board ao alimentar dispositivos médicos. Como o objetivo de habilitar dispositivos de monitoramento médico é transmitir os dados do paciente rapidamente para um provedor de saúde, a energia e o sinal são de extrema importância para garantir uma entrega perfeita. As soluções de energia para placa podem habilitar a funcionalidade de um dispositivo ao transportar correntes de até 15 A. As conexões da placa agora estão sendo oferecidas com contagens de circuito mais altas de 60, 80 e 100 circuitos, o que está se tornando mais popular à medida que os dados são transmitidos entre as conexões pontos em um form factor pequeno. Conectores placa a placa e FPC de alto desempenho com vários pontos de aterramento ajudam a garantir o mais alto nível de confiabilidade do sinal dentro dos conectores, permitindo, assim, informações e relés de dados atualizados.

Conclusão

Os dispositivos médicos tornaram-se menores na última década e os avanços em tecnologia conectada estão apenas começando. Os prestadores de cuidados de saúde estão sempre procurando apoiar seus pacientes de uma maneira não invasiva com o mínimo de tempo de inatividade e máximo conforto, e os fabricantes de dispositivos médicos também estão. Eles estão transformando essas metas em realidade, criando novos dispositivos que não são apenas pequenos e leves, mas também inteligentes, seguros e confiáveis. Há mais por vir neste espaço, e as considerações de projeto continuarão a ser impulsionadas em direção à inovação e melhoria contínuas.

Referências

  • The Medical Device Market Is Expected to Reach an Estimated $432.6 billion
  • Improving Diagnosis in Health Care, Washington, DC: National Academies Press (US); 2015 Dec 29.

Artigo escrito por ANTHONY KALAIJAKIS, publicado no blog da Mouser Electronics: Powering Up MedTech’s Modalities: Top Trends and Design Considerations

Adaptado e Traduzido por Equipe Embarcados.

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