Die Transformationswelle medizinischer Tests am Krankenbett (PoC) verlagert sich von Laboren auf klinische Kliniken, kommunale Gesundheitseinrichtungen und sogar Haushalte. Diese Transformation wird die Geschwindigkeit der Diagnose beschleunigen und dadurch die Patientenversorgung beschleunigen, die Wirksamkeit verbessern und die Kosten senken.
Um PoC zu erreichen, besteht der erste Schritt darin, einen multifunktionalen, anwendungsoptimierten integrierten Schaltkreis mit fortschrittlichem Analog-Front-End (AFE) zu verwenden, um verschiedene Biosensoren für die erforderliche Datenerfassung und -messung zu verbinden. Jeder IC muss einzigartige charakteristische Anforderungen für komplexe elektrochemische, biologische und verwandte Messungen erfüllen, einschließlich Genauigkeit, geringem Stromverbrauch und hochintegrierter Funktionalität. Erfolgreiche Endprodukte zeichnen sich durch hervorragende Leistung, hohe Flexibilität und Erweiterbarkeit aus, die zur Realisierung zukunftsweisender Plattformen beitragen. Diese Produkte müssen außerdem mit reibungslosen und präzisen Bewegungssteuerungs- und Authentifizierungs-ICs ausgestattet sein, um Datengenauigkeit und Datenschutzsicherheit zu gewährleisten.
In diesem Artikel werden der große Wandel hin zu PoC und seine Auswirkungen auf das Design untersucht. Anschließend werden die weit verbreiteten AFE-Messszenarien beschrieben und die flexiblen Lösungen vorgestellt, die Analog Devices bereitstellen kann, um die Anforderungen der PoC-Messung, Bewegungssteuerung und Verifizierung zu erfüllen.
Warum brauchen wir jetzt PoC?
Es gibt viele Faktoren, die die Nachfrage nach PoC und Probenverarbeitung bestimmen, einschließlich der Notwendigkeit einer schnellen medizinischen Diagnose zur Verbesserung des individuellen Gesundheitszustands. Regulatorische Vorschriften fördern oder schreiben sogar mehr Tests vor. Derzeit besteht der Trend, PoC in der Nähe von Kliniken oder Privathäusern durchzuführen, um die Auswirkungen auf die Patienten zu minimieren, Kosten zu senken und Zeit zu sparen. Daher erfordern solche Systeme den Einsatz einfacher und benutzerfreundlicher, aber dennoch leistungsstarker Instrumente und Geräte, um diese Ziele zu erreichen.
Für Entwickler solcher Systeme bietet AFE、 Der Bewegungssteuerungs- und Identitätsüberprüfungs-IC eine Zwischenschnittstelle, die Körperflüssigkeiten, Vitalfunktionen und die Systeme des Patienten direkt verbinden kann, die zum Erfassen, Aufzeichnen, Auswerten und Melden von Ergebnisdaten verschiedener Sensoren erforderlich sind. Diese Geräte sind der Grundstein für die Entwicklung elektrochemischer und optischer Diagnoselösungen und erfordern, dass diese Lösungen Messmaschinen bereitstellen, die mit einer Vielzahl von Biosensoren und Chemikalien kompatibel sind, sowie eine softwareaktualisierbare Plattform.
Schnittstelle zwischen Vitalfunktionen und Körperflüssigkeiten des Patienten und zugehörigen PoC-Instrumenten und Datensystemen
Abbildung 1: Simulation und zugehörige elektronische Geräte dienen als wichtige Kommunikationsschnittstellen zwischen den Vitalfunktionen und Körperflüssigkeiten des Patienten sowie den zugehörigen PoC-Instrumenten und Datensystemen. (Bildquelle: Analog Devices)
Anwendungsorientierte, diversifizierte ICs sollten in der Lage sein, verschiedene Herausforderungen zu bewältigen
Anhand einiger Beispiele können wir diesen Sachverhalt anschaulich verdeutlichen:
Beispiel 1: Optische Fluoreszenzdetektion (FLD):
Mithilfe dieser Technologie können Forscher die Verteilung, Lokalisierung und Wechselwirkungen biologischer Komponenten in Zellen oder Geweben untersuchen und so ein detailliertes Verständnis zellulärer Prozesse und Funktionen erlangen, die mit herkömmlichen optischen Mikroskopen normalerweise nicht beobachtet werden können. Diese Technik verwendet fluoreszenzinduzierte Fluorophore, anstatt auf optischen Absorptions-, Streuungs- oder Reflexionsprinzipien zu arbeiten.
Fluoreszierende Materialien absorbieren Licht bestimmter Wellenlängen und regen einige der Elektronen in höhere Energiezustände an. Wenn Elektronen in den Grundzustand zurückkehren, emittiert die fluoreszierende Gruppe Licht mit einer längeren charakteristischen Wellenlänge. Durch die Erkennung und Analyse der emittierten Fluoreszenz kann eine kontrastreiche Visualisierung biologischer Strukturen auf molekularer Ebene erreicht werden.
Das fortschrittlichere LED- und fotoelektrische Sensorsystem bietet uns mehr Leistung und Funktionalität. Es gibt einige ICs, die speziell für diese Anwendungen entwickelt wurden, wie zum Beispiel MAX86171 (Abbildung 2, oben). Dabei handelt es sich um ein optisches Datenerfassungssystem mit extrem geringem Stromverbrauch und Sende- und Empfangskanälen. Trotz der internen Komplexität müssen in Anwendungen nur wenige diskrete Komponenten konfiguriert werden (Abbildung 2, unten).
Mehrkanaliges optisches Datenerfassungssystem mit extrem geringem Stromverbrauch MAX86171 von Analog Devices (zum Vergrößern anklicken)
Abbildung 2: Das mehrkanalige optische Datenerfassungssystem MAX86171 mit extrem geringem Stromverbrauch (oberes Bild) vereinfacht die externe Verkabelung und den Bedarf an passiven Hilfskomponenten durch seine hochintegrierten internen Funktionen (unteres Bild). (Bildquelle: Analog Devices)
Auf der Senderseite ist der MAX86171 mit 9 programmierbaren LED-Treiber-Ausgangspins ausgestattet, die jeweils mit 3 Hochstrom-8-Bit-LED-Treibern verbunden sind. Auf der Empfängerseite ist der IC mit zwei rauscharmen, ladungsintegrierten Frontends und Umgebungslichtunterdrückungsschaltkreisen (ALC) ausgestattet, die ein auf optischer Ebene basierendes, hochintegriertes Hochleistungs-Datenerfassungssystem bilden.
Für Designs, die weniger optische Kanäle erfordern, kann das Gerät MAX86178ENJ+ verwendet werden, ein extrem stromsparendes Vitalzeichen-AFE in klinischer Qualität, das bis zu sechs LEDs und vier Fotodiodeneingänge unterstützen kann.
Bitte beachten Sie, dass sich die Leistungsindikatoren und Prioritäten medizinischer Anwendungen von nichtmedizinischen Situationen wie optischen Datenkanälen unterscheiden. Aufgrund des relativ geringen Lichtpegels ist das absolute Hintergrundrauschen des optischen Frontends ein entscheidender Parameter und nicht das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).
Obwohl im biomedizinischen Bereich die Signalbandbreite und die Abtastrate normalerweise sehr niedrig sind und sich die zugehörigen Parameter nicht mit einer Geschwindigkeit von mehreren Kilohertz ändern, erfordern die komplexen Simulationseigenschaften der physiologischen Systeme und Signale des Patienten selbst, dass wir in den technischen Spezifikationen unterschiedliche Prioritäten setzen müssen. Zu diesen Merkmalen gehören eine hohe Empfindlichkeit, ein großer Dynamikbereich und ein geringes Rauschen, um den sich ständig ändernden Betriebsumgebungen erfolgreich gerecht zu werden. In dieser Umgebung bewegen sich die Haut und die inneren Organe des Patienten ständig, und selbst geringfügige Bewegungen können zu Veränderungen der Kontaktfläche und der Kontaktkraft führen. Darüber hinaus werden diese Eigenschaften auch durch verschiedene Eingriffe und Veränderungen beeinflusst, was das Problem komplexer macht.
Um den Anwendungsanforderungen gerecht zu werden, liegt der Dynamikbereich des MAX86171 je nach Testlayout zwischen 91 und 110 Dezibel (dB). Seine Auflösung beträgt 19,5 Bit, das Dunkelstromrauschen beträgt weniger als 50 Pikoampere (pA) (Effektivwert) und der Umgebungslichtunterdrückungskoeffizient bei 120 Hertz (Hz) ist besser als 70 dB.
Beispiel Nr. 2: Potentiometer, Amperemeter, Voltammetrie und Impedanzmessung:
Heutzutage können Elektroingenieure Spannung, Strom, Impedanz und deren Zusammenhänge mit verschiedenen Standardinstrumenten kompetent messen. Allerdings unterliegen diese Messungen in chemischen und biologischen Umgebungen besonderen Anforderungen und Einschränkungen und stellen unterschiedliche Szenarien dar:
Potentiometrische Methode: Mit einem Potentiostat wird das Potenzial zwischen zwei Elektroden gemessen, um die Konzentration von Stoffen in einer Lösung zu bestimmen
Amperemeter: Verwendung eines Strommessgeräts zur Erkennung von Ionen in einer Lösung basierend auf dem Strom oder Stromänderungen
Voltammetrie: Anlegen einer bestimmten Spannungskurve über die Zeit an eine Arbeitselektrode und Messen des vom System erzeugten Stroms, typischerweise unter Verwendung eines Potentiostaten zur Messung.
Impedanz: Messung des Spannungs-Strom-Verhältnisses zwischen Haut und Körper
Zur Auswertung dieser Parameter kann ein AD5940 56-Ball-WLCSP mit einer Größe von 3,6 × 4,2 Millimetern (mm) verwendet werden (Abbildung 3). Dieses stromsparende AFE verfügt über mehrere Funktionen und Schnittstellen und wurde speziell für tragbare Anwendungen entwickelt, die hochpräzise elektrochemische Technologie wie Ampere-, Voltampere- oder Impedanzmessungen erfordern.