L’ondata di trasformazione dei test medici al capezzale (PoC) si sta spostando dai laboratori alle cliniche cliniche, alle istituzioni sanitarie comunitarie e persino alle famiglie. Questa trasformazione accelererà la velocità della diagnosi, accelerando così la cura del paziente, migliorando l’efficacia e riducendo i costi.
Per ottenere il PoC, il primo passo è utilizzare un circuito integrato ottimizzato per un'applicazione multifunzionale con front-end analogico avanzato (AFE) per connettersi con vari biosensori per l'acquisizione e la misurazione dei dati necessari. Ciascun circuito integrato deve soddisfare requisiti caratteristici unici per misurazioni elettrochimiche, biologiche e correlate complesse, tra cui precisione, basso consumo energetico e funzionalità altamente integrate. I prodotti finali di successo sono caratterizzati da prestazioni eccellenti, elevata flessibilità e aggiornabilità, che contribuiscono alla realizzazione di piattaforme lungimiranti. Questi prodotti devono inoltre essere dotati di circuiti integrati di autenticazione e controllo del movimento fluidi e precisi per garantire l'accuratezza dei dati e la sicurezza della privacy.
Questo articolo esplorerà la principale trasformazione verso PoC e il suo impatto sulla progettazione, quindi descriverà gli scenari di misurazione AFE ampiamente utilizzati, introducendo le soluzioni flessibili che Analog Devices può fornire per soddisfare i requisiti di misurazione PoC, controllo del movimento e verifica.
Perché abbiamo bisogno del PoC adesso?
Sono molti i fattori che guidano la domanda di PoC e di elaborazione dei campioni, inclusa la necessità di una diagnosi medica rapida per migliorare le condizioni di salute individuali. Le normative normative incoraggiano o addirittura impongono ulteriori test. Attualmente si tende a condurre PoC vicino a cliniche o abitazioni per ridurre al minimo l’impatto sui pazienti, ridurre i costi e risparmiare tempo. Pertanto, tali sistemi richiedono l’uso di strumenti e attrezzature semplici e facili da usare ma potenti per raggiungere questi obiettivi.
Per i progettisti di tali sistemi, AFE、 L'IC per il controllo del movimento e la verifica dell'identità fornisce un'interfaccia intermedia in grado di collegare direttamente i fluidi corporei del paziente, i segni vitali e i sistemi necessari per acquisire, registrare, valutare e segnalare i dati dei risultati da vari sensori. Questi dispositivi rappresentano la pietra angolare della costruzione di soluzioni diagnostiche elettrochimiche e ottiche e richiedono che tali soluzioni forniscano motori di misurazione compatibili con una varietà di biosensori e prodotti chimici, nonché una piattaforma software aggiornabile.
Interfaccia tra i segni vitali del paziente e i fluidi corporei e i relativi strumenti PoC e sistemi di dati
Figura 1: La simulazione e i relativi dispositivi elettronici fungono da importanti interfacce di comunicazione tra i segni vitali del paziente e i fluidi corporei, nonché i relativi strumenti PoC e sistemi di dati. (Fonte immagine: Analog Devices)
I circuiti integrati diversificati e orientati alle applicazioni dovrebbero essere in grado di affrontare varie sfide
Possiamo usare alcuni esempi per illustrare chiaramente questa situazione:
Esempio 1: rilevamento ottico della fluorescenza (FLD):
Attraverso questa tecnologia, i ricercatori sono in grado di studiare la distribuzione, la localizzazione e le interazioni dei componenti biologici all'interno delle cellule o dei tessuti, acquisendo così una comprensione dettagliata dei processi e delle funzioni cellulari che generalmente non sono osservabili dai microscopi ottici standard. Questa tecnica utilizza fluorofori indotti dalla fluorescenza invece di lavorare in base ai principi di assorbimento ottico, diffusione o riflessione.
I materiali fluorescenti assorbono la luce di lunghezze d'onda specifiche, eccitando alcuni elettroni a stati energetici più elevati. Quando gli elettroni ritornano allo stato fondamentale, il gruppo fluorescente emette luce con una lunghezza d'onda caratteristica più lunga. Rilevando e analizzando la fluorescenza emessa, è possibile ottenere la visualizzazione a livello molecolare ad alto contrasto delle strutture biologiche.
Il sistema più avanzato di LED e sensori fotoelettrici ci offre maggiori prestazioni e funzionalità. Esistono alcuni circuiti integrati appositamente progettati per queste applicazioni, come MAX86171 (Figura 2, in alto). Si tratta di un sistema di acquisizione dati ottico a bassissima potenza con canali di trasmissione e ricezione. Nonostante la sua complessità interna, nelle applicazioni è necessario configurare solo pochi componenti discreti (Figura 2, in basso).
Sistema di acquisizione dati ottico multicanale, a bassissimo consumo MAX86171 di Analog Devices (fare clic per ingrandire)
Figura 2: Il sistema di acquisizione dati ottico multicanale a bassissimo consumo MAX86171 (immagine in alto) semplifica il cablaggio esterno e la necessità di componenti ausiliari passivi con le sue funzioni interne altamente integrate (immagine in basso). (Fonte immagine: Analog Devices)
Sul lato trasmettitore, MAX86171 è dotato di 9 pin di uscita del driver LED programmabili, ciascuno collegato a 3 driver LED a 8 bit ad alta corrente. Sul lato ricevitore, l'IC è dotato di due front-end a basso rumore con carica integrata e circuiti di cancellazione della luce ambientale (ALC), che formano un sistema di acquisizione dati ad alte prestazioni basato su ottica e altamente integrato.
Per i progetti che richiedono meno canali ottici, è possibile utilizzare il dispositivo MAX86178ENJ+, un AFE per segni vitali di grado clinico a bassissimo consumo in grado di supportare fino a sei LED e quattro ingressi fotodiodi.
Si prega di notare che gli indicatori di prestazione e le priorità delle applicazioni mediche sono diversi da situazioni non mediche come i canali dati ottici. A causa del livello di luce relativamente basso, il parametro chiave è il rumore di fondo assoluto del front-end ottico, piuttosto che il rapporto segnale-rumore (SNR).
Sebbene in campo biomedico la larghezza di banda del segnale e la frequenza di campionamento siano generalmente molto basse e i parametri correlati non cambino a una velocità di diversi kilohertz, le complesse caratteristiche di simulazione dei sistemi fisiologici del paziente e dei segnali stessi ci impongono di stabilire priorità diverse nelle specifiche tecniche. Queste caratteristiche includono alta sensibilità, ampia gamma dinamica e basso rumore per far fronte con successo ad ambienti operativi in costante cambiamento. In questo ambiente, la pelle e gli organi interni del paziente si muovono costantemente e anche movimenti minimi possono causare cambiamenti nell'area di contatto e nella forza di contatto. Inoltre, queste caratteristiche sono influenzate anche da varie interferenze e modifiche, rendendo il problema più complesso.
Per soddisfare i requisiti dell'applicazione, la gamma dinamica del MAX86171 è compresa tra 91 e 110 decibel (dB), a seconda del layout del test. La sua risoluzione è di 19,5 bit, il rumore della corrente oscura è inferiore a 50 picoamp (pA) (valore effettivo) e il coefficiente di soppressione della luce ambientale a 120 hertz (Hz) è migliore di 70 dB.
Esempio n. 2: potenziometro, amperometro, voltammetria e misurazione dell'impedenza:
Al giorno d'oggi, gli ingegneri elettrici possono misurare abilmente tensione, corrente, impedenza e le loro interrelazioni utilizzando vari strumenti standard. Tuttavia, queste misurazioni hanno requisiti e limitazioni unici in ambienti chimici e biologici e presentano scenari diversi:
Metodo potenziometrico: utilizzo di un potenziostato per misurare il potenziale tra due elettrodi per determinare la concentrazione di sostanze in una soluzione
Amperometro: utilizzo di un dispositivo di misurazione della corrente per rilevare gli ioni in una soluzione in base alla corrente o alle variazioni di corrente
Voltammetria: applicazione di una curva di tensione specifica nel tempo a un elettrodo funzionante e misurazione della corrente generata dal sistema, in genere utilizzando un potenziostato per la misurazione.
Impedenza: misurazione del rapporto tensione-corrente tra la pelle e il corpo
Per valutare questi parametri, è possibile utilizzare un WLCSP AD5940 a 56 sfere con una dimensione di 3,6 × 4,2 millimetri (mm) (Figura 3). Questo AFE a basso consumo è dotato di molteplici funzioni e interfacce, progettate specificamente per applicazioni portatili che richiedono tecnologia elettrochimica ad alta precisione come misurazioni di ampere, volt-ampere o impedenza.