I sensori Mems nelle applicazioni medicali

Al giorno d’oggi esiste una vasta gamma di opportunità per un più ampio utilizzo di dispositivi di rilevamento e misura in ambito settore sanitario. Le applicazioni pratiche sono orientate al controllo di varie dinamiche essenziali che assicurano che il nostro corpo stia funzionando correttamente, o, in alternativa, possono consentire la diagnosi di disturbi fisici che impattano sulla qualità di vita del paziente. Nei prossimi anni le innovazioni nell’industria dei semiconduttori si riveleranno probabilmente determinanti nel permettere di sfruttare queste opportunità. Rimangono, tuttavia, importanti sfide tecniche che devono ancora essere superate. Le tecnologie dei sensori tradizionali, a causa delle loro grandi dimensioni ed ai costi relativamente elevati, presentano alcune limitazioni in relazione al loro possibile utilizzo in campo medico. I sensori miniaturizzati basati sulla tecnologia dei microsistemi elettromeccanici Mems stanno, di conseguenza, guadagnando un interesse sempre maggiore. Il loro impiego in campo medico è destinato a crescere rapidamente nei prossimi anni - un rapporto recentemente pubblicato da Transparency ha previsto un tasso annuale di crescita composto nel mercato medicale dei Mems superiore al 20%, a partire da oggi fino al 2019 (data alla quale si stima che il mercato arrivi a 6,5 miliardi di dollari all’anno). Poiché la tecnologia Mems è compatibile con i processi di produzione standard dei circuiti microelettronici Cmos, essa permette la produzione di dispositivi di rilevamento in forma monolitica. L’elemento sensibile può, quindi, essere posizionato molto vicino alla corrispondente elettronica di condizionamento del segnale – aspetto che differenzia i dispositivi Mems dai sensori convenzionali, fissati su substrati ceramici o metallici. Poiché i sensori tradizionali non possono incorporare la relativa sezione di condizionamento/elaborazione del segnale sul medesimo substrato, vi sarà inevitabilmente, in questo caso, un certo spazio fra l’elemento sensibile ed il meccanismo che realizza, appunto, il condizionamento e l’elaborazione del segnale. Ciò ha un impatto sul rapporto segnale-rumore di tali sensori, in quanto la loro efficienza nel sopportare le interferenze elettromagnetiche risulta, in qualche misura, compromessa. Le ridotte dimensioni dei sensori Mems rappresentano un’altra caratteristica vantaggiosa, poiché può presentarsi l’esigenza di doverli posizionare in ambienti con spazi limitati. Potenzialmente, inoltre, essi sono in grado di offrire un consumo ridotto di potenza, anche se va notato che non sempre è davvero così. In aggiunta alla loro compattezza e ai migliori livelli di prestazioni operative che ne possono derivare, la fabbricazione in lotti di wafer a costi ottimizzati e ottenibile grazie all’uso dei Mems, è estremamente vantaggiosa. Ciò rende questo tipo di dispositivi molto più adatti alle applicazioni medicali, soprattutto in considerazione della crescente diffusione del monitoraggio a domicilio e della cura personale.

Applicazioni dei sensori Mems

Esistono diverse categorie in cui le applicazioni dei sensori medicali possono venire classificate.

• Monouso/riutilizzabile - Il fatto che il dispositivo medico sia o meno monouso avrà ovvie implicazioni per quanto riguarda il costo unitario accettabile per lo stesso sensore Mems da integrare al suo interno. Ad esempio, sono attualmente in fase di progettazione alcuni sensori di pressione Mems da inserire in sistemi di monitoraggio respiratorio per malattie croniche, come l’apnea ostruttiva del sonno. Poiché i sensori sono posizionati all’interno dell’apparecchio, e non nella maschera indossata dal paziente, essi possono essere riutilizzati molte volte, senza doverli gettare dopo l’uso. In questo caso non è tanto il vantaggio in termini di costo ad essere importante, quanto il livello superiore delle prestazioni offerte (poiché i sensori Mems sono più accurati in applicazioni a bassa pressione rispetto ai sensori tradizionali). Al contrario, i cateteri utilizzati in operazioni chirurgiche devono includere sensori di pressione che siano in grado di fornire misure precise e che abbiano, al contempo, un costo molto conveniente, in quanto saranno utilizzati una sola volta per poi essere gettati via. In quest’ultimo caso, il costo unitario rappresenta quindi un aspetto assolutamente prioritario.

• Impiantabile/non-impiantabile – Le protesi mediche vengono introdotte nell’organismo (chirurgicamente o attraverso altri metodi, come l’ingestione) con l’intento di lasciarvele (nel medio o nel lungo termine) allo scopo di facilitare alcuni processi o di consentire monitoraggi continui. Fra le applicazioni nelle quali gli impianti di sensori Mems possono essere utilizzati vi è il trattamento di alcune patologie, quali il glaucoma. A causa di tale malattia, la pressione all’interno dell’occhio può diventare troppo elevata, portando al rischio di cecità. Si può combattere questo problema attraverso il monitoraggio costante della pressione per mezzo di un dispositivo impiantato (o, in alternativa, con un dispositivo monouso posizionato su di una lente a contatto). Una delle principali preoccupazioni che emergono quando si utilizzano gli impianti è la biocompatibilità, che si riferisce al modo in cui i meccanismi di difesa del nostro corpo rispondono all’impianto che viene introdotto e, viceversa, a come l'impianto stesso riesce ad affrontare le condizioni di funzionamento in cui viene a trovarsi. I fluidi corporei possono avere un effetto corrosivo sul dispositivo impiantato che è stato introdotto nell’organismo ed alcuni ambienti risultano più aggressivi di altri. Se il dispositivo viene posizionato, ad esempio, dentro il cuore, esso rimarrà esposto ad un flusso continuo di sangue e l’effetto dell’ambiente che lo circonda risulterà, nel tempo, molto maggiore di quanto lo sarebbe per un dispositivo posto all’interno dell’occhio. Per contrastare i problemi di biocompatibilità, i dispositivi possono aver bisogno di essere incapsulati nel titanio. Quest’ultimo materiale, infatti, protegge dalle corrosioni ed è anche inerte nei confronti del corpo umano. Di conseguenza esso viene frequentemente impiegato in dispositivi medici impiantabili, come ad esempio i pacemaker, per i quali un ciclo di vita che si prolunga oltre i 15 anni rende la spesa associata giustificabile. È necessario tuttavia sviluppare nuovi materiali destinati ad impianti meno critici e di minore durata. Un'ulteriore sfida tecnica per i dispositivi impiantabili è il fatto che essi devono essere sottoposti a processi di sterilizzazione. Ciò comporta l’uso di radiazioni elettromagnetiche (tipicamente raggi gamma), con la conseguente difficoltà nel garantire che tale irraggiamento non pregiudichi l'elettronica del circuito integrato.

• Invasivo/non-invasivo - Un dispositivo medico invasivo non viene impiantato nel corpo umano, ma rimane comunque in contatto diretto con i fluidi corporei. Quando possibile, il trauma dell’impianto di dispositivi medici invasivi dovrebbe essere evitato, ma, ovviamente, in alcune circostanze non si può proprio farne a meno. Per la natura intrinseca di questo tipo di impianto, i dispositivi classificati come invasivi devono anche essere monouso. Anche in un’implementazione non-invasiva, i sensori Mems (grazie al formato ridotto della struttura in cui possono essere contenuti) si dimostrano convenienti poiché consentono un elevato livello di comfort, aspetto che si rivela particolarmente importante per applicazioni quali il tracciamento della posizione dei bambini al fine di indagare il verificarsi di episodi di sindrome di morte infantile improvvisa. Molti altri tipi di dispositivi elettronici “portabili” possono trarre beneficio dalle dimensioni compatte dei Mems, non ultimi i sensori integrati all’interno di cerotti per il controllo del ritmo cardiaco, oppure i rilevatori di attività fisica inseriti nei braccialetti per verificare che il soggetto stia effettivamente svolgendo esercizi sufficienti (per il trattamento dell’obesità cronica o per seguire il decorso postoperatorio di interventi all’anca o al ginocchio). I dati inerziali possono inoltre servire per analizzare la postura e l’andatura ed aiutare, così, i pazienti amputati quando siano stati dotati di protesi. Mantenere il più possibile ridotta la dimensione del sensore risulta quindi molto vantaggioso, soprattutto nel caso in cui il dispositivo debba essere “indossato” per lungo tempo.

• Salvavita/non salvavita - Nelle applicazioni salvavita, il funzionamento continuo della tecnologia del sensore diventa, ovviamente, critico. I sensori di pressione Mems, ad esempio, possono venire impiegati in sistemi di assistenza ventricolare, dove è chiaramente di primaria importanza che il volume di aria somministrata al paziente sia controllata con estrema precisione. I sensori Mems offrono generalmente un livello di prestazioni di funzionamento di gran lunga superiore rispetto ai sensori elettro-meccanici tradizionali, più soggetti, nel tempo, ai danni da usura.

La validazione dei dispositivi

L’approvazione dei dispositivi medicali è un fattore essenziale, che può rappresentare un serio ostacolo, soprattutto per le applicazioni più critiche, dove potrebbe essere messa a rischio la vita del paziente. I cicli di validazione relativi ai dispositivi monouso sono molto più lunghi rispetto a quelli applicati all’elettronica di consumo o persino al settore dell’automotive. Allo stesso modo, anche i dispositivi non invasivi richiedono tempo per essere approvati. I requisiti più stringenti si applicano, tuttavia, ai dispositivi impiantabili ed a quelli salvavita. Il processo di approvazione in questi casi può anche durare oltre un decennio e quindi l’investimento sostenuto dai produttori dei sensori per operare in questi mercati può rivelarsi decisamente ingente. Questo aspetto va pesato rispetto alla generazione di ricavi che ne può derivare, una volta che la conformità è stata ottenuta.