La ola de transformación de las pruebas médicas de cabecera (PoC) está pasando de los laboratorios a las clínicas clínicas, las instituciones sanitarias comunitarias e incluso los hogares. Esta transformación acelerará la velocidad del diagnóstico, acelerando así la atención al paciente, mejorando la eficacia y reduciendo los costos.
Para lograr PoC, el primer paso es utilizar un circuito integrado optimizado para aplicaciones multifuncionales con interfaz analógica avanzada (AFE) para conectarse con varios biosensores para la adquisición y medición de datos necesarios. Cada CI debe cumplir requisitos característicos únicos para mediciones electroquímicas, biológicas y relacionadas complejas, incluida precisión, bajo consumo de energía y funcionalidad altamente integrada. Los productos finales exitosos se caracterizan por un excelente rendimiento, alta flexibilidad y capacidad de actualización, que contribuyen a la realización de plataformas con visión de futuro. Estos productos también deben estar equipados con circuitos integrados de autenticación y control de movimiento fluidos y precisos para garantizar la precisión de los datos y la seguridad de la privacidad.
Este artículo explorará la principal transformación hacia PoC y su impacto en el diseño, y luego describirá los escenarios de medición AFE ampliamente utilizados, presentando las soluciones flexibles que Analog Devices puede proporcionar para cumplir con los requisitos de medición, control de movimiento y verificación de PoC.
¿Por qué necesitamos PoC ahora?
Hay muchos factores que impulsan la demanda de PoC y procesamiento de muestras, incluida la necesidad de un diagnóstico médico rápido para mejorar las condiciones de salud individuales. Las regulaciones regulatorias alientan o incluso exigen más pruebas. Actualmente existe una tendencia a realizar PoC cerca de clínicas u hogares para minimizar el impacto en los pacientes, reducir costos y ahorrar tiempo. Por lo tanto, dichos sistemas requieren el uso de instrumentos y equipos simples y fáciles de usar pero potentes para lograr estos objetivos.
Para los diseñadores de dichos sistemas, AFE, el CI de verificación de identidad y control de movimiento proporciona una interfaz intermedia que puede conectar directamente los fluidos corporales del paciente, los signos vitales y los sistemas necesarios para capturar, registrar, evaluar e informar datos de resultados de varios sensores. Estos dispositivos son la piedra angular de la construcción de soluciones de diagnóstico óptico y electroquímico, y requieren que dichas soluciones proporcionen motores de medición que sean compatibles con una variedad de biosensores y productos químicos, así como una plataforma actualizable de software.
Interfaz entre los signos vitales del paciente y los fluidos corporales y los instrumentos y sistemas de datos PoC relacionados
Figura 1: La simulación y los dispositivos electrónicos relacionados sirven como importantes interfaces de comunicación entre los signos vitales del paciente y los fluidos corporales, así como los instrumentos y sistemas de datos PoC relacionados. (Fuente de la imagen: dispositivos analógicos)
Los circuitos integrados diversificados orientados a aplicaciones deberían poder abordar diversos desafíos
Podemos utilizar algunos ejemplos para ilustrar claramente esta situación:
Ejemplo 1: Detección de fluorescencia óptica (FLD):
A través de esta tecnología, los investigadores pueden estudiar la distribución, localización e interacciones de componentes biológicos dentro de células o tejidos, obteniendo así una comprensión detallada de los procesos y funciones celulares que normalmente no son observables con microscopios ópticos estándar. Esta técnica utiliza fluoróforos inducidos por fluorescencia en lugar de trabajar basándose en principios ópticos de absorción, dispersión o reflexión.
Los materiales fluorescentes absorben luz de longitudes de onda específicas, excitando algunos de los electrones a estados de mayor energía. Cuando los electrones regresan al estado fundamental, el grupo fluorescente emite luz con una longitud de onda característica más larga. Al detectar y analizar la fluorescencia emitida, se puede lograr una visualización de estructuras biológicas a nivel molecular de alto contraste.
El sistema de sensores fotoeléctricos y LED más avanzado nos proporciona más rendimiento y funcionalidad. Hay algunos circuitos integrados diseñados específicamente para estas aplicaciones, como MAX86171 (Figura 2, arriba). Se trata de un sistema óptico de adquisición de datos de potencia ultrabaja con canales de transmisión y recepción. A pesar de su complejidad interna, sólo es necesario configurar unos pocos componentes discretos en las aplicaciones (Figura 2, abajo).
Sistema de adquisición de datos ópticos, multicanal, de potencia ultrabaja MAX86171 de Analog Devices (haga clic para ampliar)
Figura 2: El sistema de adquisición de datos ópticos de potencia ultrabaja y multicanal MAX86171 (imagen superior) simplifica el cableado externo y la necesidad de componentes auxiliares pasivos con sus funciones internas altamente integradas (imagen inferior). (Fuente de la imagen: dispositivos analógicos)
En el lado del transmisor, MAX86171 está equipado con 9 pines de salida de controlador LED programables, cada uno conectado a 3 controladores LED de 8 bits de alta corriente. En el lado del receptor, el IC está equipado con dos terminales frontales integrados de carga de bajo ruido y circuitos de cancelación de luz ambiental (ALC), formando un sistema de adquisición de datos de alto rendimiento altamente integrado y de base óptica.
Para diseños que requieren menos canales ópticos, se puede utilizar el dispositivo MAX86178ENJ+, que es un AFE de signos vitales de grado clínico y consumo ultrabajo que puede admitir hasta seis LED y cuatro entradas de fotodiodo.
Tenga en cuenta que los indicadores de rendimiento y las prioridades de las aplicaciones médicas son diferentes de las situaciones no médicas, como los canales de datos ópticos. Debido al nivel de luz relativamente bajo, el ruido de fondo absoluto del frontal óptico es un parámetro clave, en lugar de la relación señal-ruido (SNR).
Aunque en el campo biomédico, el ancho de banda de la señal y la velocidad de muestreo suelen ser muy bajos, y los parámetros relacionados no cambian a una velocidad de varios kilohercios, las complejas características de simulación de los sistemas fisiológicos del paciente y las propias señales requieren que establezcamos diferentes prioridades en las especificaciones técnicas. Estas características incluyen alta sensibilidad, amplio rango dinámico y bajo ruido para hacer frente con éxito a entornos operativos en constante cambio. En este entorno, la piel y los órganos internos del paciente se moverán constantemente, e incluso movimientos leves pueden provocar cambios en el área de contacto y la fuerza de contacto. Además, estas características también se ven afectadas por diversas interferencias y cambios, lo que hace que el problema sea más complejo.
Para cumplir con los requisitos de la aplicación, el rango dinámico de MAX86171 está entre 91 y 110 decibelios (dB), según el diseño de la prueba. Su resolución es de 19,5 bits, el ruido de la corriente oscura es inferior a 50 picoamperios (pA) (valor efectivo) y el coeficiente de supresión de la luz ambiental a 120 hercios (Hz) es mejor que 70 dB.
Ejemplo #2: Potenciómetro, Amperímetro, Voltametría y Medición de Impedancia:
Hoy en día, los ingenieros eléctricos pueden medir con soltura el voltaje, la corriente, la impedancia y sus interrelaciones utilizando varios instrumentos estándar. Sin embargo, estas mediciones tienen requisitos y limitaciones únicos en entornos químicos y biológicos, y presentan diferentes escenarios:
Método potenciométrico: uso de un potenciostato para medir el potencial entre dos electrodos para determinar la concentración de sustancias en una solución.
Amperímetro: uso de un dispositivo de medición de corriente para detectar iones en una solución en función de la corriente o cambios en la corriente.
Voltametría: aplicar una curva de voltaje específica a lo largo del tiempo a un electrodo de trabajo y medir la corriente generada por el sistema, generalmente usando un potenciostato para la medición.
Impedancia: medición de la relación de corriente de voltaje entre la piel y el cuerpo.
Para evaluar estos parámetros, se puede utilizar un WLCSP de 56 bolas AD5940 con un tamaño de 3,6 × 4,2 milímetros (mm) (Figura 3). Este AFE de baja potencia tiene múltiples funciones e interfaces, diseñadas específicamente para aplicaciones portátiles que requieren tecnología electroquímica de alta precisión, como mediciones de amperios, voltios amperios o impedancia.