Волна трансформации прикроватного медицинского тестирования (PoC) перемещается из лабораторий в клинические клиники, общественные учреждения здравоохранения и даже домашние хозяйства. Эта трансформация ускорит скорость диагностики, тем самым ускоряя уход за пациентами, повышая эффективность и снижая затраты.
Для достижения PoC первым шагом является использование многофункциональной оптимизированной для приложений интегральной схемы с усовершенствованным аналоговым интерфейсом (AFE) для подключения к различным биосенсорам для сбора и измерения необходимых данных. Каждая ИС должна соответствовать уникальным требованиям к характеристикам для сложных электрохимических, биологических и связанных с ними измерений, включая точность, низкое энергопотребление и высокоинтегрированную функциональность. Успешные конечные продукты характеризуются превосходной производительностью, высокой гибкостью и возможностью модернизации, что способствует созданию перспективных платформ. Эти продукты также должны быть оснащены микросхемами плавного и точного управления движением и аутентификации, чтобы обеспечить точность данных и безопасность конфиденциальности.
В этой статье будет рассмотрен основной переход к PoC и его влияние на проектирование, а затем описаны широко используемые сценарии измерения AFE и представлены гибкие решения, которые Analog Devices может предоставить для удовлетворения требований измерения PoC, управления движением и проверки.
Зачем нам PoC сейчас?
Существует множество факторов, обусловливающих спрос на PoC и обработку образцов, включая необходимость быстрой медицинской диагностики для улучшения индивидуального состояния здоровья. Нормативные правила поощряют или даже требуют проведения большего количества тестов. В настоящее время существует тенденция проводить PoC рядом с клиниками или домами, чтобы минимизировать воздействие на пациентов, сократить расходы и сэкономить время. Поэтому такие системы требуют использования простых и удобных в использовании, но мощных инструментов и оборудования для достижения этих целей.
Для разработчиков таких систем AFE、 ИС управления движением и проверки личности обеспечивает промежуточный интерфейс, который может напрямую соединять жидкости организма пациента, показатели жизненно важных функций и системы, необходимые для сбора, записи, оценки и сообщения результатов результатов от различных датчиков. Эти устройства являются краеугольным камнем создания электрохимических и оптических диагностических решений и требуют таких решений для обеспечения измерительных механизмов, совместимых с различными биосенсорами и химическими веществами, а также платформы с возможностью обновления программного обеспечения.
Интерфейс между жизненными показателями пациента и биологическими жидкостями, а также соответствующими PoC-инструментами и системами данных.
Рисунок 1. Моделирование и связанные с ним электронные устройства служат важным интерфейсом связи между жизненными показателями пациента и жидкостями организма, а также соответствующими PoC-инструментами и системами данных. (Источник изображения: Analog Devices)
Диверсифицированные микросхемы, ориентированные на приложения, должны быть способны решать различные задачи.
Мы можем использовать несколько примеров, чтобы ясно проиллюстрировать эту ситуацию:
Пример 1: Оптическое обнаружение флуоресценции (FLD):
Благодаря этой технологии исследователи могут изучать распределение, локализацию и взаимодействие биологических компонентов внутри клеток или тканей, тем самым получая детальное понимание клеточных процессов и функций, которые обычно невозможно наблюдать с помощью стандартных оптических микроскопов. В этом методе используются флуорофоры, индуцированные флуоресценцией, вместо того, чтобы работать на основе принципов оптического поглощения, рассеяния или отражения.
Флуоресцентные материалы поглощают свет определенной длины волны, переводя некоторые электроны в более высокие энергетические состояния. Когда электроны возвращаются в основное состояние, флуоресцентная группа излучает свет с более длинной характеристической длиной волны. Путем обнаружения и анализа излучаемой флуоресценции можно добиться высококонтрастной визуализации биологических структур на молекулярном уровне.
Более совершенная система светодиодов и фотоэлектрических датчиков обеспечивает большую производительность и функциональность. Существуют некоторые микросхемы, специально разработанные для этих приложений, например MAX86171 (рис. 2, вверху). Это сверхмаломощная оптическая система сбора данных с каналами передачи и приема. Несмотря на внутреннюю сложность, в приложениях необходимо настроить лишь несколько дискретных компонентов (рис. 2, внизу).
Многоканальная оптическая система сбора данных со сверхнизким энергопотреблением MAX86171 от Analog Devices (нажмите, чтобы увеличить)
Рис. 2. Многоканальная оптическая система сбора данных со сверхнизким энергопотреблением (верхнее изображение) MAX86171 упрощает внешнюю проводку и устраняет необходимость в пассивных вспомогательных компонентах благодаря своим высокоинтегрированным внутренним функциям (нижнее изображение). (Источник изображения: Analog Devices)
На стороне передатчика MAX86171 оснащен 9 выходными контактами программируемых драйверов светодиодов, каждый из которых подключен к 3 сильноточным 8-битным драйверам светодиодов. На стороне приемника микросхема оснащена двумя малошумящими входными каскадами с интегрированным зарядом и схемами подавления окружающего света (ALC), образующими высокоинтегрированную высокопроизводительную систему сбора данных на оптической основе.
Для конструкций, требующих меньшего количества оптических каналов, можно использовать устройство MAX86178ENJ+, которое представляет собой сверхмалопотребляющий AFE клинического уровня для контроля жизнедеятельности, который может поддерживать до шести светодиодов и четырех входов фотодиодов.
Обратите внимание, что показатели производительности и приоритеты медицинских приложений отличаются от немедицинских ситуаций, таких как оптические каналы передачи данных. Из-за относительно низкого уровня освещенности ключевым параметром является абсолютный фоновый шум оптического интерфейса, а не отношение сигнал/шум (SNR).
Хотя в биомедицинской области полоса пропускания сигнала и частота дискретизации обычно очень низки, а соответствующие параметры не изменяются со скоростью несколько килогерц, сложные характеристики моделирования физиологических систем пациента и самих сигналов требуют от нас установки различных приоритетов в технических спецификациях. Эти функции включают высокую чувствительность, широкий динамический диапазон и низкий уровень шума, что позволяет успешно справляться с постоянно меняющимися условиями эксплуатации. В такой среде кожа и внутренние органы пациента будут постоянно двигаться, и даже незначительные движения могут вызвать изменения площади контакта и силы контакта. Кроме того, на эти характеристики также влияют различные вмешательства и изменения, что усложняет задачу.
Для удовлетворения требований приложения динамический диапазон MAX86171 составляет от 91 до 110 децибел (дБ), в зависимости от схемы тестирования. Его разрешение составляет 19,5 бит, темновой ток составляет менее 50 пикоампер (пА) (эффективное значение), а коэффициент подавления окружающего света на частоте 120 Гц (Гц) превышает 70 дБ.
Пример № 2: Потенциометр, амперметр, вольтамперометрия и измерение импеданса:
В настоящее время инженеры-электрики могут умело измерять напряжение, ток, полное сопротивление и их взаимосвязь, используя различные стандартные инструменты. Однако эти измерения имеют уникальные требования и ограничения в химической и биологической среде и представляют собой разные сценарии:
Потенциометрический метод: с помощью потенциостата измеряют потенциал между двумя электродами для определения концентрации веществ в растворе.
Амперметр: использование устройства измерения тока для обнаружения ионов в растворе на основе тока или изменений тока.
Вольтамперометрия: применение определенной кривой напряжения с течением времени к рабочему электроду и измерение тока, генерируемого системой, обычно с использованием потенциостата для измерения.
Импеданс: измерение соотношения напряжения и тока между кожей и телом.
Для оценки этих параметров можно использовать 56-шариковый WLCSP AD5940 размером 3,6×4,2 миллиметра (мм) (рисунок 3). Этот маломощный AFE имеет множество функций и интерфейсов, разработанных специально для портативных приложений, требующих высокоточных электрохимических технологий, таких как измерения силы тока, вольт-ампера или импеданса.