De transformatiegolf van medische tests aan het bed verschuift van laboratoria naar klinische klinieken, instellingen voor gemeenschapsgezondheidszorg en zelfs huishoudens. Deze transformatie zal de snelheid van de diagnose versnellen, waardoor de patiëntenzorg wordt versneld, de werkzaamheid wordt verbeterd en de kosten worden verlaagd.
Om PoC te bereiken, is de eerste stap het gebruik van een multifunctioneel, voor toepassingen geoptimaliseerd geïntegreerd circuit met geavanceerde analoge front-end (AFE) om verbinding te maken met verschillende biosensoren voor de noodzakelijke data-acquisitie en -meting. Elke IC moet voldoen aan unieke karakteristieke vereisten voor complexe elektrochemische, biologische en gerelateerde metingen, waaronder nauwkeurigheid, laag energieverbruik en sterk geïntegreerde functionaliteit. Succesvolle eindproducten worden gekenmerkt door uitstekende prestaties, hoge flexibiliteit en upgradebaarheid, die bijdragen aan de realisatie van toekomstgerichte platforms. Deze producten moeten ook worden uitgerust met soepele en nauwkeurige motion control- en authenticatie-IC's om de nauwkeurigheid van de gegevens en de privacybeveiliging te garanderen.
Dit artikel onderzoekt de grote transformatie naar PoC en de impact ervan op het ontwerp, en beschrijft vervolgens de veelgebruikte AFE-meetscenario's, waarbij de flexibele oplossingen worden geïntroduceerd die Analog Devices kunnen bieden om te voldoen aan de vereisten van PoC-meting, bewegingscontrole en verificatie.
Waarom hebben we nu PoC nodig?
Er zijn veel factoren die de vraag naar PoC en monsterverwerking stimuleren, waaronder de behoefte aan snelle medische diagnoses om de individuele gezondheidstoestand te verbeteren. Regelgevende regelgeving moedigt meer testen aan of schrijft dit zelfs voor. Er is momenteel een trend om PoC uit te voeren in de buurt van klinieken of huizen om de impact op patiënten te minimaliseren, de kosten te verlagen en tijd te besparen. Daarom vereisen dergelijke systemen het gebruik van eenvoudige en gebruiksvriendelijke maar krachtige instrumenten en apparatuur om deze doelen te bereiken.
Voor ontwerpers van dergelijke systemen biedt AFE, de IC voor bewegingscontrole en identiteitsverificatie een tusseninterface die rechtstreeks verbinding kan maken met lichaamsvloeistoffen van patiënten, vitale functies en de systemen die nodig zijn om resultaatgegevens van verschillende sensoren vast te leggen, vast te leggen, te evalueren en te rapporteren. Deze apparaten vormen de hoeksteen van het bouwen van elektrochemische en optische diagnostische oplossingen, en vereisen dat dergelijke oplossingen meetmotoren bieden die compatibel zijn met een verscheidenheid aan biosensoren en chemicaliën, evenals een software-upgradebaar platform.
Interface tussen de vitale functies en lichaamsvloeistoffen van de patiënt en gerelateerde PoC-instrumenten en datasystemen
Figuur 1: Simulatie en gerelateerde elektronische apparaten dienen als belangrijke communicatie-interfaces tussen de vitale functies van de patiënt en lichaamsvloeistoffen, evenals gerelateerde PoC-instrumenten en datasystemen. (Afbeeldingsbron: analoge apparaten)
Toepassingsgerichte gediversifieerde IC's moeten verschillende uitdagingen kunnen aangaan
We kunnen enkele voorbeelden gebruiken om deze situatie duidelijk te illustreren:
Voorbeeld 1: Optische fluorescentiedetectie (FLD):
Via deze technologie kunnen onderzoekers de distributie, lokalisatie en interacties van biologische componenten in cellen of weefsels bestuderen, waardoor ze een gedetailleerd inzicht krijgen in cellulaire processen en functies die doorgaans niet waarneembaar zijn met standaard optische microscopen. Deze techniek maakt gebruik van fluorescentie-geïnduceerde fluoroforen in plaats van te werken op basis van optische absorptie-, verstrooiing- of reflectieprincipes.
Fluorescerende materialen absorberen licht van specifieke golflengten, waardoor sommige elektronen naar hogere energietoestanden worden gebracht. Wanneer elektronen terugkeren naar de grondtoestand, zendt de fluorescerende groep licht uit met een langere karakteristieke golflengte. Door de uitgezonden fluorescentie te detecteren en te analyseren, kan visualisatie op moleculair niveau met hoog contrast van biologische structuren worden bereikt.
Het meer geavanceerde LED- en foto-elektrische sensorsysteem biedt ons meer prestaties en functionaliteit. Er zijn enkele IC's die speciaal voor deze toepassingen zijn ontworpen, zoals MAX86171 (Afbeelding 2, bovenaan). Dit is een optisch data-acquisitiesysteem met ultralaag vermogen en zend- en ontvangstkanalen. Ondanks de interne complexiteit hoeven er in toepassingen slechts een paar afzonderlijke componenten te worden geconfigureerd (Afbeelding 2, onderaan).
MAX86171 meerkanaals, optisch data-acquisitiesysteem met ultralaag vermogen van Analog Devices (klik om te vergroten)
Afbeelding 2: Het MAX86171 meerkanaals, optisch data-acquisitiesysteem met ultralaag vermogen (bovenste afbeelding) vereenvoudigt externe bedrading en de behoefte aan passieve hulpcomponenten met zijn sterk geïntegreerde interne functies (onderste afbeelding). (Afbeeldingsbron: analoge apparaten)
Aan de zenderzijde is de MAX86171 uitgerust met 9 programmeerbare LED-driveruitgangspinnen, elk verbonden met 3 hoogvermogen 8-bit LED-drivers. Aan de ontvangerzijde is de IC uitgerust met twee geluidsarme, ladingsgeïntegreerde front-ends en ALC-circuits (omgevingslichtonderdrukking), die een optisch gebaseerd, sterk geïntegreerd, hoogwaardig data-acquisitiesysteem vormen.
Voor ontwerpen die minder optische kanalen vereisen, kan het MAX86178ENJ+-apparaat worden gebruikt. Dit is een AFE voor vitale functies van klinische kwaliteit met ultralaag vermogen die maximaal zes LED's en vier fotodiode-ingangen kan ondersteunen.
Houd er rekening mee dat de prestatie-indicatoren en prioriteiten van medische toepassingen verschillen van niet-medische situaties zoals optische datakanalen. Vanwege het relatief lage lichtniveau is de absolute achtergrondruis van de optische front-end een belangrijke parameter, in plaats van de signaal-ruisverhouding (SNR).
Hoewel in de biomedische sector de signaalbandbreedte en de bemonsteringssnelheid meestal erg laag zijn, en gerelateerde parameters niet veranderen met een snelheid van enkele kilohertz, vereisen de complexe simulatiekarakteristieken van de fysiologische systemen en signalen van de patiënt zelf dat we verschillende prioriteiten stellen in de technische specificaties. Deze kenmerken omvatten een hoge gevoeligheid, een groot dynamisch bereik en een laag geluidsniveau, zodat u met succes kunt omgaan met voortdurend veranderende werkomgevingen. In deze omgeving zullen de huid en inwendige organen van de patiënt voortdurend in beweging zijn, en zelfs kleine bewegingen kunnen veranderingen in het contactgebied en de contactkracht veroorzaken. Bovendien worden deze kenmerken ook beïnvloed door verschillende interferenties en veranderingen, waardoor het probleem complexer wordt.
Om aan de toepassingsvereisten te voldoen, ligt het dynamische bereik van MAX86171 tussen 91 en 110 decibel (dB), afhankelijk van de testopstelling. De resolutie is 19,5 bits, donkerstroomruis is minder dan 50 picoampère (pA) (effectieve waarde) en de onderdrukkingscoëfficiënt van omgevingslicht bij 120 hertz (Hz) is beter dan 70 dB.
Voorbeeld # 2: Potentiometer, Ampèremeter, Voltammetrie en Impedantiemeting:
Tegenwoordig kunnen elektrotechnici vakkundig spanning, stroom, impedantie en hun onderlinge relaties meten met behulp van verschillende standaardinstrumenten. Deze metingen hebben echter unieke vereisten en beperkingen in chemische en biologische omgevingen, en presenteren verschillende scenario's:
Potentiometrische methode: gebruik van een potentiostaat om de potentiaal tussen twee elektroden te meten om de concentratie van stoffen in een oplossing te bepalen
Ampèremeter: gebruik van een stroommeetapparaat om ionen in een oplossing te detecteren op basis van stroom of veranderingen in stroom
Voltammetrie: het in de loop van de tijd toepassen van een specifieke spanningscurve op een werkelektrode en het meten van de stroom die door het systeem wordt gegenereerd, meestal met behulp van een potentiostaat voor meting.
Impedantie: Meten van de spanningsstroomrelatie tussen de huid en het lichaam
Om deze parameters te evalueren, kan een AD5940 WLCSP met 56 kogels en een afmeting van 3,6 x 4,2 millimeter (mm) worden gebruikt (Figuur 3). Deze energiezuinige AFE heeft meerdere functies en interfaces, speciaal ontworpen voor draagbare toepassingen die uiterst nauwkeurige elektrochemische technologie vereisen, zoals ampère-, voltampère- of impedantiemetingen.