Η τεχνητή νοημοσύνη (AI) μπόρεσε να αποκτήσει βαθύτερες γνώσεις από τα δεδομένα εξέτασης και δοκιμών ασθενών, βελτιώνοντας έτσι τις διαγνωστικές ικανότητες και ενισχύοντας τις δυνατότητες πρόβλεψης και ανάλυσης τάσεων. Το επόμενο βήμα είναι να μεταφερθούν οι ιατρικές δοκιμές και οι αναλύσεις δειγμάτων που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη από το εργαστήριο στα γραφεία, τις κλινικές ή τα σπίτια γιατρών. Αυτή η μέθοδος παρακολούθησης δίπλα στο κρεβάτι (PoC) μπορεί να αξιολογήσει γρήγορα τις ιατρικές καταστάσεις, να μειώσει την επιβάρυνση των ασθενών και να επιτρέψει πιο συχνές δοκιμές για την παροχή πιο εκλεπτυσμένων δεδομένων και την ταχύτερη ανίχνευση ανησυχητικών τάσεων.
Για να επιτευχθεί PoC που βασίζεται σε AI, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε ένα πολυλειτουργικό βελτιστοποιημένο IC για εφαρμογές με προηγμένο αναλογικό μπροστινό μέρος (AFE) για διασύνδεση με διάφορους βιοαισθητήρες για τη λήψη και τη μέτρηση των απαραίτητων δεδομένων. Αυτά τα IC πρέπει να πληρούν τις μοναδικές χαρακτηριστικές απαιτήσεις περίπλοκων ηλεκτροχημικών, βιολογικών και σχετικών μετρήσεων, συμπεριλαμβανομένης της ακρίβειας, της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και της εξαιρετικά ενσωματωμένης λειτουργικότητας. Πρέπει επίσης να βασίζονται σε προηγμένες τεχνολογίες ασφαλείας για να διασφαλίσουν το απόρρητο των δεδομένων.
Αυτό το άρθρο θα διερευνήσει την τάση του μετασχηματισμού PoC και τον αντίκτυπό του στη σχεδίαση, στη συνέχεια θα περιγράψει ευρέως χρησιμοποιούμενα σενάρια μέτρησης AFE και θα παρουσιάσει παραδείγματα λύσεων αναλογικών συσκευών που μπορούν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις μέτρησης PoC και ασφάλειας.
Γιατί χρειαζόμαστε το PoC τώρα;
Οι κινητήριοι παράγοντες για την αύξηση της ανίχνευσης PoC και της επεξεργασίας δειγμάτων περιλαμβάνουν: τη ζήτηση για περισσότερες και καλύτερες ιατρικές διαγνώσεις για τη βελτίωση των ατομικών συνθηκών υγείας. Αναπτύξτε γνώσεις σχετικά με τις ανάγκες της γήρανσης με βάση τον πληθυσμό, τις ασθένειες και τις αλλαγές ασθενειών. Οι κανονιστικοί κανονισμοί ενθαρρύνουν ή και απαιτούν περισσότερες δοκιμές, οι οποίες πρέπει να γίνονται με χαμηλότερο κόστος και να μειώνουν τους χρόνους δοκιμών και αναμονής. Επιπλέον, υπάρχει μια τάση για δημιουργία περισσότερων τοπικών PoC σε κλινικές ή σπίτια για την ελαχιστοποίηση των παρεμβολών και του κόστους για τους ασθενείς, κάτι που απαιτεί απλά αλλά ισχυρά όργανα.
Ταυτόχρονα, η τεχνητή νοημοσύνη αναπτύσσεται γρήγορα, επιτρέποντας τη χρήση αυτών των δεδομένων για βαθύτερη ανάλυση και πρόβλεψη.
Αυτοί οι περιεκτικοί παράγοντες δημιουργούν ζήτηση και ευκαιρίες για πολύπλοκα κυκλώματα που βασίζονται σε IC που πρέπει να βελτιστοποιηθούν σύμφωνα με τις μοναδικές απαιτήσεις της απόκτησης και διαχείρισης δεδομένων ιατρικών δοκιμών. Αυτός ο τύπος IC είναι η μπροστινή διεπαφή που συνδέει τα σωματικά υγρά του ασθενούς με το σύστημα, υπεύθυνη για τη λήψη και την καταγραφή δεδομένων από διάφορους αισθητήρες, την αξιολόγησή τους και την αναφορά των τελικών δεδομένων (Εικόνα 1).
Διάγραμμα βασικής διασύνδεσης μεταξύ των ζωτικών σημείων του ασθενούς και των σωματικών υγρών και των σχετικών οργάνων PoC και συστημάτων δεδομένων (κάντε κλικ για μεγέθυνση)
Εικόνα 1: Η προσομοίωση και οι σχετικές ηλεκτρονικές συσκευές χρησιμεύουν ως σημαντικές διεπαφές επικοινωνίας μεταξύ των ζωτικών σημείων του ασθενούς και των σωματικών υγρών, καθώς και των σχετικών οργάνων PoC και συστημάτων δεδομένων. (Πηγή εικόνας: Αναλογικές συσκευές)
Τα διαφοροποιημένα IC προσανατολισμένα στην εφαρμογή θα πρέπει να είναι σε θέση να αντιμετωπίσουν διάφορες προκλήσεις
Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μερικά παραδείγματα για να δείξουμε με σαφήνεια αυτήν την κατάσταση:
Παράδειγμα 1: Παλμική οξυμετρία και παρακολούθηση καρδιακών παλμών:
Ο κορεσμός του αίματος με οξυγόνο (SpO2) και ο καρδιακός ρυθμός είναι σημαντικοί βασικοί δείκτες μέτρησης της υγείας. Η πρώτη παράμετρος παρέχει το πιο ζωντανό παράδειγμα του πώς οι οπτικές και ηλεκτρονικές τεχνολογίες μπορούν να αλλάξουν τις προσδοκίες του PoC. Ο μόνος τρόπος μέτρησης του SpO2 ήταν πάντα οι νοσηλευτές να παίρνουν δείγματα αίματος και να τα στέλνουν στο εργαστήριο για εξέταση.
Τώρα, με την καθιερωμένη ηλεκτρονική οπτική τεχνολογία πριν από δεκαετίες, τα LED, οι αισθητήρες φωτός και οι αλγόριθμοι στα δάχτυλα μπορούν να παρέχουν γρήγορες αναγνώσεις DIY σε δευτερόλεπτα. Επιπλέον, η ίδια διάταξη φωτοηλεκτρικών αισθητήρων LED μπορεί επίσης να παρέχει πληροφορίες για τον καρδιακό ρυθμό.
Το πιο προηγμένο σύστημα LED και φωτοηλεκτρικών αισθητήρων μας παρέχει μεγαλύτερη απόδοση και λειτουργικότητα. Υπάρχουν ορισμένα IC που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για αυτές τις εφαρμογές, όπως το MAX86171 (Εικόνα 2, επάνω), το οποίο είναι ένα σύστημα λήψης οπτικών δεδομένων εξαιρετικά χαμηλής ισχύος με κανάλια μετάδοσης και λήψης. Παρά την εσωτερική του πολυπλοκότητα, μόνο μερικά διακριτά στοιχεία χρειάζονται να διαμορφωθούν σε εφαρμογές (Εικόνα 2, κάτω).
MAX86171 πολυκάναλο, εξαιρετικά χαμηλής ισχύος, σύστημα λήψης οπτικών δεδομένων από Αναλογικές Συσκευές (κάντε κλικ για μεγέθυνση)
Εικόνα 2: Το πολυκάναλο, εξαιρετικά χαμηλής ισχύος, σύστημα λήψης οπτικών δεδομένων MAX86171 (επάνω εικόνα) απλοποιεί την εξωτερική καλωδίωση και την ανάγκη για παθητικά βοηθητικά εξαρτήματα με τις εξαιρετικά ενσωματωμένες εσωτερικές λειτουργίες του (κάτω εικόνα). (Πηγή εικόνας: Αναλογικές συσκευές)
Στην πλευρά του πομπού, το MAX86171 είναι εξοπλισμένο με 9 προγραμματιζόμενες ακίδες εξόδου οδηγού LED, καθεμία συνδεδεμένη με 3 προγράμματα οδήγησης LED 8-bit υψηλού ρεύματος. Από την πλευρά του δέκτη, το MAX86171 είναι εξοπλισμένο με δύο κυκλώματα χαμηλού θορύβου, ενσωμάτωσης φόρτισης στο μπροστινό μέρος και ακύρωσης φωτός περιβάλλοντος (ALC), τα οποία σχηματίζουν ένα σύστημα λήψης δεδομένων υψηλής απόδοσης, βασισμένο σε οπτικά, υψηλής απόδοσης.
Εκτός από τα δεδομένα SpO2 και καρδιακού ρυθμού, αυτό το IC μπορεί επίσης να αξιολογήσει τη μεταβλητότητα του καρδιακού ρυθμού, την ενυδάτωση του σώματος, τον κορεσμό οξυγόνου των μυών και των ιστών (SmO2 και StO2) και τη μέγιστη κατανάλωση οξυγόνου (VO2 max).
Λάβετε υπόψη ότι οι δείκτες απόδοσης και οι προτεραιότητες των ιατρικών εφαρμογών διαφέρουν από τις μη ιατρικές καταστάσεις. Λόγω του σχετικά χαμηλού επιπέδου φωτισμού, ο απόλυτος θόρυβος περιβάλλοντος της οπτικής πρόσοψης είναι βασική παράμετρος και όχι ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR).
Αν και στον βιοϊατρικό τομέα, το εύρος ζώνης του σήματος και ο ρυθμός δειγματοληψίας είναι συνήθως πολύ χαμηλά επειδή οι σχετικές παράμετροι δεν αλλάζουν με ρυθμό αρκετών kilohertz, οι σύνθετες αναλογικές ιδιότητες των ασθενών και των σημάτων απαιτούν διαφορετικές τάξεις προτεραιότητας όσον αφορά τις προδιαγραφές. Αυτά τα χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν υψηλή ευαισθησία, μεγάλο δυναμικό εύρος και χαμηλό θόρυβο για την επιτυχή αντιμετώπιση των συνεχώς μεταβαλλόμενων μη σταθερών περιβαλλόντων. Σε αυτό το περιβάλλον, το δέρμα και τα εσωτερικά όργανα του ασθενούς θα κινούνται συνεχώς, και ακόμη και μικρές κινήσεις μπορεί να προκαλέσουν αλλαγές στην περιοχή επαφής και τη δύναμη επαφής. Επιπλέον, αυτά τα χαρακτηριστικά επηρεάζονται επίσης από διάφορες παρεμβολές, θόρυβο και αλλαγές, καθιστώντας το πρόβλημα πιο περίπλοκο.
Για την κάλυψη των απαιτήσεων εφαρμογής, το δυναμικό εύρος του MAX86171 είναι μεταξύ 91 και 110 ντεσιμπέλ (dB), ανάλογα με τη διάταξη δοκιμής. Η ανάλυσή του είναι 19,5 bit, ο θόρυβος σκοτεινού ρεύματος είναι μικρότερος από 50 picoamps (pA) (ενεργή τιμή) και ο συντελεστής καταστολής φωτός περιβάλλοντος στα 120 hertz (Hz) είναι καλύτερος από 70 dB.
Παράδειγμα 2: Ποτενσιομετρική μέθοδος, μέθοδος ανάλυσης ρεύματος, μέθοδος μέτρησης βολτ αμπέρ και μέτρηση σύνθετης αντίστασης:
Σήμερα, οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί μπορούν να μετρήσουν επιδέξια την τάση, το ρεύμα, την αντίσταση και τις αλληλεπιδράσεις τους χρησιμοποιώντας διάφορα τυπικά όργανα. Ωστόσο, αυτές οι μετρήσεις έχουν μοναδικές απαιτήσεις και περιορισμούς σε χημικά και βιολογικά περιβάλλοντα και παρουσιάζουν διαφορετικά σενάρια μέτρησης:
Ποτενσιομετρική μέθοδος: χρήση ποτενσιοστάτη για τη μέτρηση του δυναμικού μεταξύ δύο ηλεκτροδίων για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης ουσιών σε ένα διάλυμα
Μέθοδος ανάλυσης ρεύματος: χρήση συσκευής μέτρησης ρεύματος για την ανίχνευση ιόντων σε διάλυμα με βάση το ρεύμα ή τις αλλαγές στο ρεύμα
Βολταμετρική μέθοδος: Εφαρμόστε μια συγκεκριμένη καμπύλη τάσης που μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου στο ηλεκτρόδιο εργασίας και μετρήστε το ρεύμα που παράγεται από το σύστημα, συνήθως χρησιμοποιώντας έναν ποτενσιοστάτη για μέτρηση
Αντίσταση: Μέτρηση της σχέσης ρεύματος τάσης μεταξύ δέρματος και σώματος
Για την αξιολόγηση αυτών των παραμέτρων, το AD5940 προσφέρει πολλαπλές λειτουργίες και επιλογές διεπαφής σε ένα πακέτο 56 σφαιρών WLCSP διαστάσεων 3,6 × 4,2 χιλιοστών (mm) (Εικόνα 3). Αυτό το AFE χαμηλής κατανάλωσης έχει πολλαπλές λειτουργίες και διεπαφές, σχεδιασμένες ειδικά για φορητές εφαρμογές που απαιτούν τεχνικές ηλεκτροχημικής μέτρησης υψηλής ακρίβειας, όπως μετρήσεις αμπέρ, βολτ αμπέρ ή σύνθετης αντίστασης.