Искусственный интеллект (ИИ) смог получить более глубокое понимание данных обследования пациентов и клинических испытаний, тем самым улучшив диагностические возможности и расширив возможности прогнозирования и анализа тенденций. Следующим шагом является перенос медицинского тестирования и анализа проб на основе искусственного интеллекта из лаборатории в кабинеты врачей, клиники или дома. Этот метод прикроватного мониторинга (PoC) позволяет быстро оценить состояние здоровья, снизить нагрузку на пациента и обеспечить более частое тестирование для получения более точных данных и более быстрого выявления тревожных тенденций.
Для достижения PoC, управляемого искусственным интеллектом, необходимо использовать многофункциональную оптимизированную для приложений ИС с усовершенствованным аналоговым интерфейсом (AFE) для взаимодействия с различными биосенсорами для сбора и измерения необходимых данных. Эти микросхемы должны соответствовать уникальным требованиям к сложным электрохимическим, биологическим и связанным с ними измерениям, включая точность, низкое энергопотребление и высокоинтегрированную функциональность. Они также должны полагаться на передовые технологии безопасности для обеспечения конфиденциальности данных.
В этой статье будут рассмотрены тенденции трансформации PoC и ее влияние на проектирование, затем описаны широко используемые сценарии измерения AFE и представлены примеры решений Analog Devices, которые могут соответствовать требованиям измерения PoC и безопасности.
Зачем нам PoC сейчас?
Движущими факторами увеличения количества случаев обнаружения PoC и обработки проб являются: потребность в большем количестве и более качественных медицинских диагнозах для улучшения состояния здоровья отдельных людей; Развивать понимание потребностей населения, связанных со старением, болезнями и изменениями заболеваний. Нормативные правила поощряют или даже требуют большего количества тестов, которые должны проводиться с меньшими затратами и сокращать время тестирования и ожидания. Кроме того, существует тенденция устанавливать больше локальных PoC в клиниках или на дому, чтобы минимизировать вмешательство и затраты для пациентов, что требует простых, но мощных инструментов.
В то же время ИИ быстро развивается, позволяя использовать эти данные для более глубокого анализа и прогнозирования.
Эти комплексные факторы создают спрос и возможности для сложных схем на основе микросхем, которые необходимо оптимизировать в соответствии с уникальными требованиями сбора и управления данными медицинских испытаний. Этот тип ИС представляет собой внешний интерфейс, который соединяет жидкости организма пациента с системой, отвечает за сбор и запись данных от различных датчиков, их оценку и представление окончательных данных (рис. 1).
Ключевая схема интерфейса между показателями жизнедеятельности пациента и биологическими жидкостями, а также соответствующими PoC-инструментами и системами данных (нажмите, чтобы увеличить)
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: Пульсоксиметрия и монитор сердечного ритма:
Насыщение крови кислородом (SpO2) и частота сердечных сокращений являются важными основными показателями состояния здоровья. Первый параметр представляет собой наиболее яркий пример того, как оптические и электронные технологии могут изменить ожидания PoC. Единственным способом измерения SpO2 всегда было то, что медсестры брали образцы крови и отправляли их в лабораторию для тестирования.
Теперь, благодаря хорошо зарекомендовавшим себя электронно-оптическим технологиям, появившимся десятилетия назад, светодиоды, датчики освещенности и алгоритмы на кончиках пальцев могут обеспечить быстрое считывание показаний своими руками за считанные секунды. Кроме того, такое же расположение светодиодных фотоэлектрических датчиков также может предоставлять информацию о частоте пульса.
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), представляющая собой оптическую систему сбора данных со сверхмалым энергопотреблением 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 MAX86171 оснащен двумя малошумящими схемами интеграции заряда и подавления окружающего света (ALC), образующими высокоинтегрированную высокопроизводительную систему сбора данных на оптической основе.
В дополнение к данным SpO2 и частоте сердечных сокращений этот IC также может оценивать вариабельность сердечного ритма, гидратацию тела, насыщение мышц и тканей кислородом (SmO2 и StO2) и максимальное потребление кислорода (VO2 max).
Обратите внимание, что показатели эффективности и приоритеты медицинских приложений отличаются от немедицинских ситуаций. 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, поскольку соответствующие параметры не изменяются со скоростью несколько килогерц, сложные аналоговые свойства пациентов и сигналов требуют разного порядка приоритета с точки зрения спецификаций. Эти функции включают высокую чувствительность, широкий динамический диапазон и низкий уровень шума, что позволяет успешно справляться с постоянно меняющимися переменными условиями. 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 помехи, шумы 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: Потенциометрический метод, метод анализа тока, метод измерения вольт-ампер 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 различные сценарии измерений:
Потенциометрический метод: с помощью потенциостата измеряют потенциал между двумя электродами для определения концентрации веществ в растворе.
Метод анализа тока: использование устройства измерения тока для обнаружения ионов в растворе на основе тока или изменений тока.
Вольтамперометрический метод: примените к рабочему электроду определенную кривую напряжения, которая меняется со временем, и измерьте ток, генерируемый системой, обычно используя для измерения потенциостат.
Импеданс: измерение соотношения напряжения и тока между кожей и телом.
Для оценки этих параметров AD5940 предлагает множество функций и вариантов интерфейса в корпусе WLCSP на 56 шариков размером 3,6 × 4,2 миллиметра (мм) (рис. 3). Этот маломощный AFE имеет множество функций и интерфейсов, разработанных специально для портативных приложений, требующих высокоточных электрохимических методов измерения, таких как измерения силы тока, вольт-ампера или импеданса.