Kunstmatige intelligentie (AI) heeft diepere inzichten kunnen verwerven uit patiëntonderzoek en onderzoeksgegevens, waardoor de diagnostische mogelijkheden en de voorspellende en trendanalysemogelijkheden zijn verbeterd. De volgende stap is het migreren van AI-gestuurde medische tests en monsteranalyses van het laboratorium naar artsenpraktijken, klinieken of thuis. Deze monitoringmethode aan het bed (PoC) kan medische aandoeningen snel beoordelen, de patiëntlast verminderen en frequenter testen mogelijk maken om meer verfijnde gegevens te verkrijgen en zorgwekkende trends sneller te detecteren.
Om AI-gestuurde PoC te bereiken, is het noodzakelijk om een multifunctionele applicatie-geoptimaliseerde IC met geavanceerde analoge front-end (AFE) te gebruiken om te communiceren met verschillende biosensoren voor de noodzakelijke data-acquisitie en -meting. Deze IC's moeten voldoen aan de unieke karakteristieke vereisten van complexe elektrochemische, biologische en gerelateerde metingen, waaronder nauwkeurigheid, laag energieverbruik en sterk geïntegreerde functionaliteit. Ze moeten ook vertrouwen op geavanceerde beveiligingstechnologieën om de privacy van gegevens te garanderen.
Dit artikel onderzoekt de trend van PoC-transformatie en de impact ervan op het ontwerp, beschrijft vervolgens veelgebruikte AFE-meetscenario's en introduceert voorbeeldoplossingen van analoge apparaten die kunnen voldoen aan PoC-metings- en beveiligingsvereisten.
Waarom hebben we nu PoC nodig?
De drijvende factoren voor het vergroten van de PoC-detectie en monsterverwerking zijn onder meer: de vraag naar meer en betere medische diagnoses om de individuele gezondheidstoestand te verbeteren; Ontwikkel inzichten in de behoeften van de vergrijzing, ziekten en ziekteveranderingen van de bevolking. Regelgeving moedigt meer tests aan of vereist deze zelfs, wat tegen lagere kosten moet gebeuren en de test- en wachttijden moet verkorten. Bovendien is er een trend om meer lokale PoC in klinieken of huizen in te richten om interferentie en kosten voor patiënten te minimaliseren, waarvoor eenvoudige maar krachtige instrumenten nodig zijn.
Tegelijkertijd ontwikkelt AI zich snel, waardoor deze gegevens kunnen worden gebruikt voor diepere analyses en voorspellingen.
Deze veelomvattende factoren creëren een vraag naar en kansen voor complexe IC-gebaseerde circuits die moeten worden geoptimaliseerd volgens de unieke vereisten van het verzamelen en beheren van medische testgegevens. Dit type IC is de front-end interface die de lichaamsvloeistoffen van de patiënt verbindt met het systeem, verantwoordelijk voor het vastleggen en vastleggen van gegevens van verschillende sensoren, het evalueren ervan en het rapporteren van de definitieve gegevens (Figuur 1).
Belangrijk interfacediagram tussen de vitale functies van de patiënt en lichaamsvloeistoffen en gerelateerde PoC-instrumenten en datasystemen (klik om te vergroten)
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: Pulsoximetrie en hartslagmeter:
Bloedzuurstofsaturatie (SpO2) en hartslag zijn belangrijke basisindicatoren voor gezondheidsmetingen. De eerste parameter biedt het meest levendige voorbeeld van hoe optische en elektronische technologieën de verwachtingen van PoC kunnen veranderen. De enige manier om SpO2 te meten is altijd geweest dat verpleegkundigen bloedmonsters namen en deze voor onderzoek naar het laboratorium stuurden.
Nu, met de gevestigde elektronische optische technologie van tientallen jaren geleden, kunnen LED's, lichtsensoren en algoritmen binnen handbereik snelle doe-het-zelf-metingen binnen enkele seconden opleveren. Bovendien kan dezelfde opstelling van LED-foto-elektrische sensoren ook hartslaginformatie leveren.
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), een optisch data-acquisitiesysteem met ultralaag vermogen en transmissie- 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 MAX86171 uitgerust met twee low-noise, ladingsintegratie front-end en ambient light annulering (ALC) circuits, die een optisch gebaseerd, sterk geïntegreerd, hoogwaardig data-acquisitiesysteem vormen.
Naast SpO2- en hartslaggegevens kan deze IC ook de hartslagvariabiliteit, lichaamshydratatie, zuurstofverzadiging van spieren en weefsel (SmO2 en StO2) en het maximale zuurstofverbruik (VO2 max) evalueren.
Houd er rekening mee dat de prestatie-indicatoren en prioriteiten van medische toepassingen anders zijn dan die van niet-medische situaties. 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 omdat de relevante parameters niet veranderen met een snelheid van enkele kilohertz, vereisen de complexe analoge eigenschappen van patiënten en signalen verschillende prioriteitsorden in termen van specificaties. Deze kenmerken omvatten een hoge gevoeligheid, een groot dynamisch bereik en weinig ruis om met succes om te gaan met voortdurend veranderende, niet-vaste omgevingen. 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, ruis 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: Potentiometrische methode, stroomanalysemethode, voltampère-meetmethode 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 meetscenario'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
Stroomanalysemethode: gebruik van een stroommeetapparaat om ionen in een oplossing te detecteren op basis van stroom of veranderingen in stroom
Voltammetrische methode: Pas een specifieke spanningscurve toe die in de loop van de tijd varieert op de werkelektrode en meet 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, biedt de AD5940 meerdere functionaliteiten en interface-opties in een WLCSP-pakket met 56 kogels van 3,6 x 4,2 millimeter (mm) (Afbeelding 3). Deze energiezuinige AFE heeft meerdere functies en interfaces, speciaal ontworpen voor draagbare toepassingen die uiterst nauwkeurige elektrochemische meettechnieken vereisen, zoals ampère-, voltampère- of impedantiemetingen.