Künstliche Intelligenz (KI) konnte aus Patientenuntersuchungen und Studiendaten tiefere Erkenntnisse gewinnen und dadurch die Diagnosefähigkeiten sowie die Vorhersage- und Trendanalysefähigkeiten verbessern. Der nächste Schritt besteht darin, KI-gesteuerte medizinische Tests und Probenanalysen vom Labor in Arztpraxen, Kliniken oder zu Hause zu verlagern. Mit dieser Überwachungsmethode am Krankenbett (PoC) können medizinische Zustände schnell beurteilt, die Patientenbelastung verringert und häufigere Tests ermöglicht werden, um verfeinerte Daten bereitzustellen und besorgniserregende Trends schneller zu erkennen.
Um einen KI-gesteuerten PoC zu erreichen, ist es notwendig, einen multifunktionalen, anwendungsoptimierten IC mit fortschrittlichem Analog-Front-End (AFE) zu verwenden, um mit verschiedenen Biosensoren für die notwendige Datenerfassung und -messung zu kommunizieren. Diese ICs müssen die einzigartigen charakteristischen Anforderungen komplexer elektrochemischer, biologischer und verwandter Messungen erfüllen, einschließlich Genauigkeit, geringem Stromverbrauch und hochintegrierter Funktionalität. Sie müssen sich auch auf fortschrittliche Sicherheitstechnologien verlassen, um den Datenschutz zu gewährleisten.
In diesem Artikel werden der Trend der PoC-Transformation und seine Auswirkungen auf das Design untersucht, anschließend weit verbreitete AFE-Messszenarien beschrieben und Beispiellösungen von Analog Devices vorgestellt, die PoC-Mess- und Sicherheitsanforderungen erfüllen können.
Warum brauchen wir jetzt PoC?
Zu den treibenden Faktoren für die zunehmende PoC-Erkennung und Probenverarbeitung gehören: die Nachfrage nach mehr und besseren medizinischen Diagnosen zur Verbesserung des individuellen Gesundheitszustands; Entwickeln Sie Einblicke in die Bedürfnisse der bevölkerungsbedingten Alterung, Krankheiten und Krankheitsveränderungen. Behördliche Vorschriften fördern oder verlangen sogar mehr Tests, die zu geringeren Kosten durchgeführt werden müssen und die Test- und Wartezeiten verkürzen. Darüber hinaus gibt es einen Trend, mehr lokale PoC in Kliniken oder zu Hause einzurichten, um Störungen und Kosten für Patienten zu minimieren, was einfache, aber leistungsstarke Instrumente erfordert.
Gleichzeitig entwickelt sich die KI rasant weiter und ermöglicht die Nutzung dieser Daten für tiefergehende Analysen und Vorhersagen.
Diese umfassenden Faktoren schaffen eine Nachfrage und Chance für komplexe IC-basierte Schaltkreise, die entsprechend den besonderen Anforderungen der Datenerfassung und -verwaltung medizinischer Tests optimiert werden müssen. Dieser IC-Typ ist die Front-End-Schnittstelle, die die Körperflüssigkeiten des Patienten mit dem System verbindet und für die Erfassung und Aufzeichnung von Daten verschiedener Sensoren, deren Auswertung und die Meldung der endgültigen Daten verantwortlich ist (Abbildung 1).
Wichtiges Schnittstellendiagramm zwischen den Vitalfunktionen und Körperflüssigkeiten des Patienten und zugehörigen PoC-Instrumenten und Datensystemen (zum Vergrößern anklicken)
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: Pulsoximetrie und Herzfrequenzmesser:
Die Sauerstoffsättigung des Blutes (SpO2) und die Herzfrequenz sind wichtige grundlegende Indikatoren zur Messung der Gesundheit. Der erste Parameter liefert das anschaulichste Beispiel dafür, wie optische und elektronische Technologien die Erwartungen an PoC verändern können. Die einzige Möglichkeit, SpO2 zu messen, bestand für das Pflegepersonal seit jeher darin, Blutproben zu entnehmen und diese zur Untersuchung an das Labor zu schicken.
Dank der bewährten elektronischen optischen Technologie von vor Jahrzehnten können LEDs, Lichtsensoren und Algorithmen auf den Fingerspitzen jetzt in Sekundenschnelle schnelle Messwerte liefern. Darüber hinaus kann die gleiche Anordnung von LED-Lichtschranken auch Informationen zur Herzfrequenz liefern.
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), 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 MAX86171 mit zwei rauscharmen Front-End-Schaltkreisen zur Ladungsintegration und Umgebungslichtunterdrückung (ALC) ausgestattet, die ein auf optischer Ebene basierendes, hochintegriertes Hochleistungs-Datenerfassungssystem bilden.
Zusätzlich zu den SpO2- und Herzfrequenzdaten kann dieser IC auch die Herzfrequenzvariabilität, die Körperhydrierung, die Sauerstoffsättigung von Muskeln und Gewebe (SmO2 und StO2) sowie den maximalen Sauerstoffverbrauch (VO2 max) auswerten.
Bitte beachten Sie, dass sich die Leistungsindikatoren und Prioritäten medizinischer Anwendungen von denen nichtmedizinischer Situationen 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 Signalbandbreite und Abtastrate meist sehr gering sind, da sich die relevanten Parameter nicht mit einer Geschwindigkeit von mehreren Kilohertz ändern, erfordern die komplexen analogen Eigenschaften von Patienten und Signalen unterschiedliche Prioritäten bei den Spezifikationen. Zu diesen Merkmalen gehören eine hohe Empfindlichkeit, ein großer Dynamikbereich und ein geringes Rauschen, um mit sich ständig ändernden, nicht festen Umgebungen erfolgreich zurechtzukommen. 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 Störungen, Rauschen und Änderungen 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 2: Potentiometrische Methode, Stromanalysemethode, Voltampere-Messmethode 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 bieten unterschiedliche Messszenarien:
Potentiometrische Methode: Mit einem Potentiostat wird das Potenzial zwischen zwei Elektroden gemessen, um die Konzentration von Stoffen in einer Lösung zu bestimmen
Stromanalysemethode: Verwendung eines Strommessgeräts zur Erkennung von Ionen in einer Lösung basierend auf dem Strom oder Stromänderungen
Voltammetrische Methode: Legen Sie eine bestimmte Spannungskurve, die sich im Laufe der Zeit ändert, an die Arbeitselektrode an und messen Sie den vom System erzeugten Strom. Zur Messung wird normalerweise ein Potentiostat verwendet
Impedanz: Messung des Spannungs-Strom-Verhältnisses zwischen Haut und Körper
Um diese Parameter zu bewerten, bietet AD5940 mehrere Funktionalitäten und Schnittstellenoptionen in einem 56-Kugel-WLCSP-Gehäuse mit den Maßen 3,6 × 4,2 Millimeter (mm) (Abbildung 3). Dieses stromsparende AFE verfügt über mehrere Funktionen und Schnittstellen und wurde speziell für tragbare Anwendungen entwickelt, die hochpräzise elektrochemische Messtechniken wie Ampere-, Voltampere- oder Impedanzmessungen erfordern.