La inteligencia artificial (IA) ha podido obtener conocimientos más profundos a partir de los datos de los exámenes y de los ensayos de los pacientes, mejorando así las capacidades de diagnóstico y las capacidades de análisis de tendencias y predictivas. El siguiente paso es migrar las pruebas médicas y el análisis de muestras impulsados por IA desde el laboratorio a los consultorios médicos, clínicas o hogares. Este método de monitoreo junto a la cama (PoC) puede evaluar rápidamente las condiciones médicas, reducir la carga del paciente y permitir pruebas más frecuentes para proporcionar datos más refinados y detectar tendencias preocupantes más rápidamente.
Para lograr PoC impulsada por IA, es necesario utilizar un IC optimizado para aplicaciones multifuncionales con interfaz analógica avanzada (AFE) para interactuar con varios biosensores para la adquisición y medición de datos necesarios. Estos circuitos integrados deben cumplir con los requisitos característicos únicos de mediciones electroquímicas, biológicas y relacionadas complejas, incluida la precisión, el bajo consumo de energía y la funcionalidad altamente integrada. También deben confiar en tecnologías de seguridad avanzadas para garantizar la privacidad de los datos.
Este artículo explorará la tendencia de la transformación de PoC y su impacto en el diseño, luego describirá escenarios de medición AFE ampliamente utilizados e introducirá soluciones de ejemplo de dispositivos analógicos que pueden cumplir con los requisitos de seguridad y medición de PoC.
¿Por qué necesitamos PoC ahora?
Los factores que impulsan el aumento de la detección de PoC y el procesamiento de muestras incluyen: la demanda de más y mejores diagnósticos médicos para mejorar las condiciones de salud individuales; Desarrollar conocimientos sobre las necesidades del envejecimiento de la población, las enfermedades y los cambios en las enfermedades. Las regulaciones regulatorias alientan o incluso exigen más pruebas, que deben realizarse a costos más bajos y reducir las pruebas y los tiempos de espera. Además, existe una tendencia a establecer más puntos de atención locales en clínicas u hogares para minimizar las interferencias y los costos para los pacientes, lo que requiere instrumentos simples pero potentes.
Al mismo tiempo, la IA se está desarrollando rápidamente, lo que permite que estos datos se utilicen para análisis y predicciones más profundos.
Estos factores integrales crean una demanda y una oportunidad para circuitos complejos basados en circuitos integrados que deben optimizarse de acuerdo con los requisitos únicos de la adquisición y gestión de datos de pruebas médicas. Este tipo de CI es la interfaz frontal que conecta los fluidos corporales del paciente con el sistema, responsable de capturar y registrar datos de varios sensores, evaluarlos y reportar los datos finales (Figura 1).
Diagrama de interfaz clave entre los signos vitales del paciente y los fluidos corporales y los instrumentos y sistemas de datos PoC relacionados (haga clic para ampliar)
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: Pulsioximetría y monitor de frecuencia cardíaca:
La saturación de oxígeno en sangre (SpO2) y la frecuencia cardíaca son importantes indicadores básicos de medición de la salud. El primer parámetro proporciona el ejemplo más vívido de cómo las tecnologías ópticas y electrónicas pueden cambiar las expectativas de PoC. La única forma de medir la SpO2 siempre ha sido que las enfermeras tomen muestras de sangre y las envíen al laboratorio para su análisis.
Ahora, con la tecnología óptica electrónica bien establecida de hace décadas, los LED, los sensores de luz y los algoritmos al alcance de la mano pueden proporcionar lecturas rápidas de bricolaje en segundos. Además, la misma disposición de sensores fotoeléctricos LED también puede proporcionar información sobre la frecuencia cardíaca.
El sistema de sensores fotoeléctricos y LED más avanzado nos proporciona más rendimiento y funcionalidad. Existen algunos circuitos integrados diseñados específicamente para estas aplicaciones, como MAX86171 (Figura 2, arriba), que es 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, consumo ultrabajo 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 MAX86171 está equipado con dos circuitos frontales de integración de carga y cancelación de luz ambiental (ALC) de bajo ruido, formando un sistema de adquisición de datos de alto rendimiento altamente integrado y de base óptica.
Además de los datos de SpO2 y frecuencia cardíaca, este IC también puede evaluar la variabilidad de la frecuencia cardíaca, la hidratación corporal, la saturación de oxígeno de músculos y tejidos (SmO2 y StO2) y el consumo máximo de oxígeno (VO2 máx.).
Tenga en cuenta que los indicadores de rendimiento y las prioridades de las aplicaciones médicas son diferentes de las situaciones no médicas. 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 porque los parámetros relevantes no cambian a una velocidad de varios kilohercios, las complejas propiedades analógicas de los pacientes y las señales requieren diferentes órdenes de prioridad en términos de especificaciones. Estas características incluyen alta sensibilidad, amplio rango dinámico y bajo ruido para hacer frente con éxito a entornos no fijos 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, ruidos 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: Método potenciométrico, método de análisis de corriente, método de medición de voltios amperios 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 de medición:
Método potenciométrico: uso de un potenciostato para medir el potencial entre dos electrodos para determinar la concentración de sustancias en una solución.
Método de análisis actual: uso de un dispositivo de medición de corriente para detectar iones en una solución en función de la corriente o cambios en la corriente.
Método voltamétrico: aplica una curva de voltaje específica que varía en el tiempo al electrodo de trabajo y mide 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, AD5940 ofrece múltiples funcionalidades y opciones de interfaz en un paquete WLCSP de 56 bolas que mide 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 técnicas de medición electroquímica de alta precisión, como mediciones de amperios, voltios amperios o impedancia.