L'intelligenza artificiale (IA) è stata in grado di ottenere informazioni più approfondite da esami dei pazienti e dati di sperimentazione,migliorando così le capacità diagnostiche e le capacità di analisi predittiva e di tendenzaIl passo successivo è quello di trasferire i test medici e l'analisi dei campioni basati sull'IA dal laboratorio agli studi medici, alle cliniche o alle case.Questo metodo di monitoraggio al letto (PoC) può valutare rapidamente le condizioni mediche, ridurre l'onere per i pazienti e consentire test più frequenti per fornire dati più precisi e individuare tendenze preoccupanti più rapidamente.
Per ottenere un PoC guidato dall'IA,è necessario utilizzare un circuito integrato ottimizzato per applicazioni multifunzionali con front-end analogo avanzato (AFE) per interfacciarsi con vari biosensori per l'acquisizione e la misurazione dei dati necessariQuesti circuiti integrati devono soddisfare i requisiti caratteristici unici di complesse misurazioni elettrochimiche, biologiche e correlate, compresa la precisione, il basso consumo di energia,e funzionalità altamente integrateEssi devono inoltre fare affidamento su tecnologie di sicurezza avanzate per garantire la privacy dei dati.
Questo articolo esplorerà la tendenza della trasformazione PoC e il suo impatto sulla progettazione, quindi descriverà scenari di misurazione AFE ampiamente utilizzati,e introdurre soluzioni di esempio di dispositivi analogici in grado di soddisfare i requisiti di misurazione e sicurezza PoC.
Perche' ci serve il PoC ora?
I fattori trainanti per aumentare la rilevazione di PoC e il trattamento dei campioni includono: la domanda di diagnosi mediche più e migliori per migliorare le condizioni di salute individuali;Sviluppare informazioni sulle esigenze dell'invecchiamento basato sulla popolazioneLe norme regolamentari incoraggiano o addirittura richiedono più test, che devono essere effettuati a costi inferiori e ridurre i tempi di test e di attesa.c'è una tendenza a stabilire più PoC locali nelle cliniche o nelle case per ridurre al minimo le interferenze e i costi per i pazienti, che richiede strumenti semplici ma potenti.
Allo stesso tempo, l'IA si sta sviluppando rapidamente, consentendo di utilizzare questi dati per analisi e previsioni più approfondite.
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 managementQuesto tipo di IC è l'interfaccia front-end che collega i fluidi corporei del paziente con il sistema, responsabile della cattura e registrazione dei dati provenienti da vari sensori, valutarli,e segnalazione dei dati finali (Figura 1).
Diagramma di interfaccia chiave tra i segni vitali del paziente e i fluidi corporei e gli strumenti e i sistemi di dati PoC correlati (clicca per ingrandire)
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 gli strumenti e i sistemi di dati PoC correlati.(Fonte immagine)Dispositivi analogici
I CI diversificati orientati alle applicazioni dovrebbero essere in grado di affrontare diverse sfide
Possiamo usare alcuni esempi per illustrare chiaramente questa situazione:
Esempio 1: ossimetria del polso e monitor della frequenza cardiaca:
La saturazione di ossigeno nel sangue (SpO2) e la frequenza cardiaca sono importanti indicatori di base per misurare la salute.Il primo parametro fornisce l'esempio più chiaro di come le tecnologie ottiche ed elettroniche possano cambiare le aspettative del PoCL'unico modo per misurare SpO2 è sempre stato per gli infermieri di prelevare campioni di sangue e inviarli al laboratorio per il test.
Ora, con la consolidata tecnologia ottica elettronica di decenni fa, LED, sensori di luce e algoritmi a portata di mano possono fornire letture veloci in pochi secondi.la stessa disposizione dei sensori fotoelettrici a LED può anche fornire informazioni sulla frequenza cardiaca.
Il più avanzato sistema di sensori LED e fotoelettrici ci offre maggiori prestazioni e funzionalità.sopra), che è un sistema di acquisizione di dati ottici a bassa potenza con canali di trasmissione e ricezione.solo pochi componenti discreti devono essere configurati nelle applicazioni (figura 2), in basso).
MAX86171 multicanale, a potenza ultra-bassa, sistema di acquisizione di dati ottici da dispositivi analogici (clicca per ingrandire)
Figura 2: il MAX86171 multicanale, a potenza ultra bassa,sistema di acquisizione di dati ottici (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 del trasmettitore, il MAX86171 è dotato di 9 pin di uscita programmabili del driver LED, ciascuno collegato a 3 driver LED ad alta corrente a 8 bit. sul lato del ricevitore,il MAX86171 è dotato di due dispositivi a basso rumore, circuiti di integrazione della carica front-end e di cancellazione della luce ambiente (ALC), che formano un sistema di acquisizione dati ad alte prestazioni basato sull'ottica e altamente integrato.
Oltre ai dati relativi alla SpO2 e alla frequenza cardiaca, questo IC può anche valutare la variabilità della frequenza cardiaca, l'idratazione corporea, la saturazione di ossigeno dei muscoli e dei tessuti (SmO2 e StO2),e consumo massimo di ossigeno (VO2 max).
Si prega di notare che gli indicatori di prestazione e le priorità delle applicazioni mediche sono diversi da quelli delle situazioni non mediche.il rumore di fondo assoluto della parte anteriore ottica è un parametro chiave, piuttosto che il rapporto segnale/rumore (SNR).
Anche se nel campo biomedicale, la larghezza di banda del segnale e la velocità di campionamento sono di solito molto basse perché i parametri rilevanti non cambiano a una velocità di diversi kilohertz,le complesse proprietà analoghe dei pazienti e dei segnali richiedono ordini di priorità diversi in termini di specificheQueste caratteristiche includono un'elevata sensibilità, un ampio range dinamico e un basso rumore per far fronte con successo a ambienti non fissi in costante cambiamento.la pelle e gli organi interni del paziente si muovono costantementeInoltre, queste caratteristiche sono influenzate anche da varie interferenze, rumori e cambiamenti,rendendo il problema più complesso.
Per soddisfare i requisiti applicativi, la gamma dinamica del MAX86171 è compresa tra 91 e 110 decibel (dB), a seconda del layout di prova.il rumore di corrente scura è inferiore a 50 picoampere (pA) (valore effettivo), e il coefficiente di soppressione della luce ambiente a 120 hertz (Hz) è superiore a 70 dB.
Esempio 2: Metodo potenziometrico, metodo di analisi della corrente, metodo di misurazione in volt-ampere e misurazione dell'impedenza:
Oggi gli ingegneri elettrici possono misurare con competenza tensione, corrente, impedenza e le loro interrelazioni utilizzando vari strumenti standard.queste misure hanno requisiti e limitazioni unici in ambienti chimici e biologici, e presentano diversi scenari di misurazione:
Metodo potenziometrico: utilizzo di un potenziostato per misurare il potenziale tra due elettrodi per determinare la concentrazione di sostanze in una soluzione
Metodo di analisi della corrente: utilizzo di un dispositivo di misurazione della corrente per rilevare gli ioni in una soluzione in base alla corrente o alle variazioni della corrente
Metodo voltammetrico: applicare una curva di tensione specifica che varia nel tempo all'elettrodo di lavoro e misurare la corrente generata dal sistema, di solito utilizzando un potenziostato per la misurazione
Impedanza: misurazione del rapporto di tensione e corrente tra la pelle e il corpo
Per valutare questi parametri, l'AD5940 offre molteplici funzionalità e opzioni di interfaccia in un pacchetto WLCSP a 56 sfere di 3,6 × 4,2 millimetri (mm) (figura 3).Questo AFE a bassa potenza ha molteplici funzioni e interfacce, progettato specificamente per applicazioni portatili che richiedono tecniche di misurazione elettrochimica di alta precisione come le misurazioni in ampere, voltampere o impedenza.