Sztuczna inteligencja (AI) była w stanie uzyskać głębsze spostrzeżenia z badań pacjentów i danych z badań,w ten sposób zwiększenie zdolności diagnostycznych oraz zdolności analizy prognozowania i trendówNastępnym krokiem jest migracja badań medycznych i analizy próbek z laboratorium do gabinetów lekarskich, klinik lub domów.Ta metoda monitorowania przy łóżku (PoC) pozwala szybko ocenić stan zdrowia, zmniejszyć obciążenie pacjentów i umożliwić częstsze badania, aby uzyskać bardziej precyzyjne dane i szybciej wykryć niepokojące trendy.
Aby osiągnąć PoC napędzaną przez sztuczną inteligencję,konieczne jest zastosowanie wielofunkcyjnego, zoptymalizowanego układu IC z zaawansowanym analogowym interfejsem (AFE) do interfejsu z różnymi biosensorami do niezbędnego pozyskiwania i pomiaru danych;IC te muszą spełniać wyjątkowe wymagania charakterystyczne złożonych pomiarów elektrochemicznych, biologicznych i pokrewnych, w tym dokładność, niskie zużycie energii,i wysoce zintegrowane funkcjonalnościMuszą również polegać na zaawansowanych technologiach bezpieczeństwa w celu zapewnienia prywatności danych.
W niniejszym artykule omówi się tendencję transformacji PoC i jej wpływ na projektowanie, a następnie opisa szeroko stosowane scenariusze pomiaru AFE,i wprowadzenie przykładów rozwiązań urządzeń analogowych, które mogą spełniać wymagania dotyczące pomiaru PoC i bezpieczeństwa.
Po co nam teraz PoC?
Czynniki napędzające zwiększanie wykrywania PoC i przetwarzania próbek obejmują: zapotrzebowanie na więcej i lepsze diagnozy medyczne w celu poprawy indywidualnych warunków zdrowotnych;Rozwój wglądu w potrzeby starzenia się populacjiPrzepisy regulacyjne zachęcają lub nawet wymagają zwiększenia ilości badań, które muszą być przeprowadzane przy niższych kosztach i skracają czasy badania i oczekiwania.istnieje tendencja do ustanowienia więcej lokalnych PoC w klinikach lub domach, aby zminimalizować zakłócenia i koszty dla pacjentów, które wymagają prostych, ale potężnych instrumentów.
Jednocześnie AI szybko się rozwija, umożliwiając wykorzystanie tych danych do głębszych analiz i przewidywania.
These comprehensive factors create a demand and opportunity for complex IC based circuits that need to be optimized according to the unique requirements of medical testing data acquisition and managementTen typ IC jest interfejsem, który łączy płynów ciała pacjenta z systemem, odpowiedzialnym za przechwytywanie i rejestrowanie danych z różnych czujników, ich oceny,i sprawozdawczość o danych końcowych (rysunek 1).
Schemat interfejsu między objawami życiowymi pacjenta a płynami ciała oraz powiązanymi instrumentami PoC i systemami danych (kliknij, aby powiększyć)
Rysunek 1: Symulacja i powiązane urządzenia elektroniczne służą jako ważne interfejsy komunikacyjne między oznakami życiowymi pacjenta a płynami ciała, a także powiązanymi instrumentami PoC i systemami danych.(źródło zdjęcia): Urządzenia analogowe)
Zróżnicowane IC zorientowane na zastosowanie powinny być w stanie sprostać różnym wyzwaniom
Możemy użyć kilku przykładów, aby jasno zilustrować tę sytuację:
Przykład 1: Pulsoksymetria i monitor tętna:
Nasycenie tlenem we krwi (SpO2) i tętno są ważnymi podstawowymi wskaźnikami zdrowia.Pierwszy parametr stanowi najbardziej żywy przykład tego, w jaki sposób technologie optyczne i elektroniczne mogą zmienić oczekiwania PoCJedynym sposobem na pomiar SpO2 było od zawsze pobranie próbki krwi przez pielęgniarki i wysłanie ich do laboratorium na badanie.
Teraz, dzięki dobrze rozwiniętej technologii elektronicznej optycznej sprzed dziesięcioleci, diody LED, czujniki światła i algorytmy na palcach mogą zapewnić szybkie odczyty DIY w ciągu kilku sekund.ten sam układ czujników fotoelektrycznych LED może również dostarczać informacje o częstotliwości serca.
W celu zapewnienia większej wydajności i funkcjonalności istnieją niektóre układy IC specjalnie zaprojektowane do tych zastosowań, takie jak MAX86171 (rysunek 2,górne), który jest ultra niskoenergetycznym optycznym systemem pozyskiwania danych z kanałami transmisji i odbioru.w aplikacjach potrzebna jest konfiguracja zaledwie kilku dyskretnych komponentów (rysunek 2), dolnej części).
MAX86171 wielokanałowy, ultra niskiej mocy, optyczny system pozyskiwania danych od urządzeń analogowych (kliknij aby powiększyć)
Rysunek 2: MAX86171 wielokanalizowany, o bardzo niskiej mocy,system pozyskiwania danych optycznych (zdjęcie górne) uproszcza okablowanie zewnętrzne i potrzebę pasywnych komponentów pomocniczych dzięki wysoce zintegrowanym funkcjom wewnętrznym (zdjęcie dolne)(źródło zdjęcia: Analog Devices)
Po stronie nadajnika, MAX86171 jest wyposażony w 9 programowalnych pinów wyjściowych sterowników LED, z których każdy jest podłączony do 3 sterowników LED o dużym prędkości 8-bitowej.MAX86171 jest wyposażony w dwa urządzenia nisko hałasowe, układy integracji ładowania z przodu i układy ALC (ang. ambient light cancellation), tworzące optyczny, wysoko zintegrowany, wydajny system pozyskiwania danych.
Oprócz danych o SpO2 i częstotliwości akcji serca, ten układ może również oceniać zmienność częstotliwości akcji serca, nawodnienie organizmu, nasycenie tlenem mięśni i tkanek (SmO2 i StO2),i maksymalne zużycie tlenu (VO2 max).
Należy pamiętać, że wskaźniki wydajności i priorytety zastosowań medycznych różnią się od sytuacji niemedycznych.bezwzględny hałas tła przedniej części urządzenia optycznego jest kluczowym parametrem, a nie stosunek sygnału do hałasu (SNR).
Chociaż w dziedzinie biomedycznej szerokość pasma sygnału i szybkość pobierania próbek są zazwyczaj bardzo niskie, ponieważ odpowiednie parametry nie zmieniają się z prędkością kilku kilohertzów,złożone właściwości analogowe pacjentów i sygnałów wymagają różnych kolejności priorytetowych pod względem specyfikacjiCechy te obejmują wysoką wrażliwość, szeroki zakres dynamiczny i niski poziom hałasu, aby skutecznie radzić sobie ze stale zmieniającymi się środowiskami niestabilnymi.skóra i narządy wewnętrzne pacjenta będą się ciągle poruszać, a nawet niewielkie ruchy mogą powodować zmiany w obszarze kontaktu i siłę kontaktu.Sprawianie problemu bardziej skomplikowanym.
Aby spełnić wymagania zastosowań, zakres dynamiczny MAX86171 wynosi od 91 do 110 decybeli (dB), w zależności od układu testowego.hałas ciemnego prądu jest mniejszy niż 50 picoamp (pA) (wartość rzeczywista), a współczynnik tłumienia światła otoczenia przy 120 hertzach (Hz) jest lepszy niż 70 dB.
Przykład 2: Metoda potencjometryczna, metoda analizy prądu, metoda pomiaru w voltach-amperach i pomiar impedancji:
W dzisiejszych czasach inżynierowie elektryczni mogą umiejętnie mierzyć napięcie, prąd, impedancję i ich wzajemne powiązania za pomocą różnych standardowych instrumentów.te pomiary mają wyjątkowe wymagania i ograniczenia w środowisku chemicznym i biologicznym, oraz przedstawić różne scenariusze pomiarów:
Metoda potencjometryczna: wykorzystanie potencjostatu do pomiaru potencjału między dwoma elektrodami w celu określenia stężenia substancji w roztworze
Metoda analizy prądu: użycie urządzenia pomiaru prądu do wykrywania jonów w roztworze na podstawie prądu lub zmian prądu
Metoda woltometryczna: zastosowanie określonej krzywej napięcia, która zmienia się w czasie na elektrodzie roboczej i pomiar prądu generowanego przez system, zwykle przy użyciu potencjałostatu do pomiaru
Impedans: pomiar relacji napięcia i prądu między skórą a ciałem
W celu oceny tych parametrów AD5940 oferuje wiele funkcjonalności i opcji interfejsu w 56-kułkowym opakowaniu WLCSP o wymiarach 3,6 × 4,2 mm (rysunek 3).Ten niskoenergetyczny AFE ma wiele funkcji i interfejsów, zaprojektowane specjalnie do przenośnych zastosowań, które wymagają wysokiej precyzji technik pomiarów elektrochemicznych, takich jak pomiary ampera, woltampera lub impedancji.