L’intelligenza artificiale (AI) è stata in grado di ottenere informazioni più approfondite dall’esame dei pazienti e dai dati degli studi, migliorando così le capacità diagnostiche e potenziando le capacità di analisi predittiva e delle tendenze. Il passo successivo è quello di migrare i test medici e l'analisi dei campioni basati sull'intelligenza artificiale dal laboratorio agli studi medici, alle cliniche o alle case. Questo metodo di monitoraggio al posto letto (PoC) può valutare rapidamente le condizioni mediche, ridurre il carico del paziente e consentire test più frequenti per fornire dati più precisi e rilevare tendenze preoccupanti più rapidamente.
Per ottenere un PoC basato sull'intelligenza artificiale, è necessario utilizzare un circuito integrato ottimizzato per un'applicazione multifunzionale con front-end analogico avanzato (AFE) per interfacciarsi con vari biosensori per l'acquisizione e la misurazione dei dati necessari. Questi circuiti integrati devono soddisfare i requisiti caratteristici unici di misurazioni elettrochimiche, biologiche e correlate complesse, tra cui precisione, basso consumo energetico e funzionalità altamente integrate. Devono inoltre fare affidamento su tecnologie di sicurezza avanzate per garantire la riservatezza 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 introdurrà soluzioni di esempio di dispositivi analogici in grado di soddisfare i requisiti di misurazione e sicurezza PoC.
Perché abbiamo bisogno del PoC adesso?
I fattori trainanti per aumentare il rilevamento dei PoC e l’elaborazione dei campioni includono: la richiesta di maggiori e migliori diagnosi mediche per migliorare le condizioni di salute individuali; Sviluppare approfondimenti sui bisogni legati all’invecchiamento della popolazione, alle malattie e ai cambiamenti delle malattie. Le normative normative incoraggiano o addirittura richiedono più test, che devono essere eseguiti a costi inferiori e riducendo i tempi di test e di attesa. Inoltre, vi è la tendenza a stabilire più PoC locali nelle cliniche o nelle case per ridurre al minimo le interferenze e i costi per i pazienti, il che richiede strumenti semplici ma potenti.
Allo stesso tempo, l’intelligenza artificiale si sta sviluppando rapidamente, consentendo di utilizzare questi dati per analisi e previsioni più approfondite.
Questi fattori globali creano una domanda e un’opportunità per circuiti complessi basati su circuiti integrati che devono essere ottimizzati in base ai requisiti specifici dell’acquisizione e della gestione dei dati dei test medici. Questo tipo di IC è l'interfaccia front-end che collega i fluidi corporei del paziente al sistema, responsabile dell'acquisizione e della registrazione dei dati da vari sensori, della loro valutazione e del reporting dei dati finali (Figura 1).
Diagramma dell'interfaccia chiave tra i segni vitali del paziente e i fluidi corporei e i relativi strumenti PoC e sistemi di dati (fare clic 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 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: pulsossimetria e cardiofrequenzimetro:
La saturazione di ossigeno nel sangue (SpO2) e la frequenza cardiaca sono importanti indicatori di misurazione della salute di base. Il primo parametro fornisce l’esempio più vivido di come le tecnologie ottiche ed elettroniche possano cambiare le aspettative del PoC. L’unico modo per misurare la SpO2 è sempre stato che gli infermieri prelevassero campioni di sangue e li inviassero al laboratorio per i test.
Ora, con la consolidata tecnologia ottica elettronica di decenni fa, LED, sensori di luce e algoritmi sulla punta delle dita possono fornire letture fai-da-te veloci in pochi secondi. Inoltre, la stessa disposizione dei sensori fotoelettrici a LED può fornire anche informazioni sulla frequenza cardiaca.
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), che è un sistema di acquisizione dati ottico a bassissimo consumo 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, il MAX86171 è dotato di due circuiti front-end di integrazione della carica e cancellazione della luce ambientale (ALC) a basso rumore, che formano un sistema di acquisizione dati ad alte prestazioni basato su ottica.
Oltre ai dati sulla SpO2 e sulla frequenza cardiaca, questo IC può anche valutare la variabilità della frequenza cardiaca, l'idratazione corporea, la saturazione di ossigeno nei muscoli e nei tessuti (SmO2 e StO2) e il consumo massimo di ossigeno (VO2 max).
Si prega di notare che gli indicatori di prestazione e le priorità delle applicazioni mediche sono diversi dalle situazioni non mediche. 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 poiché i parametri rilevanti non cambiano a una velocità di diversi kilohertz, le complesse proprietà analogiche dei pazienti e dei segnali richiedono diversi ordini di priorità in termini di specifiche. Queste caratteristiche includono alta sensibilità, ampia gamma dinamica e basso rumore per affrontare con successo ambienti non fissi 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, rumori e cambiamenti, 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 2: metodo potenziometrico, metodo di analisi della corrente, metodo di misurazione del volt-ampere 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 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 di corrente
Metodo voltammetrico: applicare una curva di tensione specifica che varia nel tempo all'elettrodo di lavoro e misurare la corrente generata dal sistema, solitamente utilizzando un potenziostato per la misurazione
Impedenza: misurazione del rapporto tensione-corrente tra la pelle e il corpo
Per valutare questi parametri, AD5940 offre molteplici funzionalità e opzioni di interfaccia in un pacchetto WLCSP da 56 sfere che misura 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 tecniche di misurazione elettrochimica ad alta precisione come misurazioni di ampere, volt-ampere o impedenza.