موج دگرگونی آزمایشهای پزشکی کنار تخت (PoC) از آزمایشگاهها به کلینیکهای بالینی، مؤسسات مراقبتهای بهداشتی جامعه و حتی خانوارها تغییر میکند. این تحول سرعت تشخیص را تسریع میکند و در نتیجه مراقبت از بیمار را تسریع میکند، کارایی را بهبود میبخشد و هزینهها را کاهش میدهد.
برای دستیابی به PoC، اولین گام استفاده از یک مدار مجتمع چند منظوره بهینهسازی شده با آنالوگ پیشرفته (AFE) برای اتصال به بیوسنسورهای مختلف برای جمعآوری و اندازهگیری دادههای ضروری است. هر آی سی باید الزامات مشخصه منحصر به فرد را برای اندازه گیری های پیچیده الکتروشیمیایی، بیولوژیکی و مرتبط، از جمله دقت، مصرف انرژی کم، و عملکرد بسیار یکپارچه برآورده کند. محصولات نهایی موفق با عملکرد عالی، انعطاف پذیری بالا و قابلیت ارتقا مشخص می شوند که به تحقق پلتفرم های آینده نگر کمک می کند. این محصولات همچنین باید مجهز به آی سی های کنترل حرکت و احراز هویت روان و دقیق باشند تا از صحت داده ها و امنیت حریم خصوصی اطمینان حاصل شود.
این مقاله تحول عمده به سمت PoC و تأثیر آن بر طراحی را بررسی میکند و سپس سناریوهای اندازهگیری AFE را که به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد، معرفی میکند و راهحلهای انعطافپذیری را که دستگاههای آنالوگ میتوانند برای برآورده کردن الزامات اندازهگیری PoC، کنترل حرکت و تأیید ارائه دهند، معرفی کند.
چرا اکنون به PoC نیاز داریم؟
عوامل زیادی وجود دارد که تقاضا برای PoC و پردازش نمونه را افزایش می دهد، از جمله نیاز به تشخیص سریع پزشکی برای بهبود شرایط سلامت فردی. مقررات نظارتی تست های بیشتری را تشویق یا حتی الزام می کند. در حال حاضر روندی برای انجام PoC در نزدیکی کلینیک ها یا خانه ها وجود دارد تا تأثیر آن بر بیماران به حداقل برسد، هزینه ها کاهش یابد و در زمان صرفه جویی شود. بنابراین چنین سیستم هایی برای دستیابی به این اهداف نیازمند استفاده از ابزارها و تجهیزات ساده و با کاربرد آسان و در عین حال قدرتمند هستند.
برای طراحان چنین سیستمهایی، AFE، IC کنترل حرکت و تأیید هویت یک رابط میانی را فراهم میکند که میتواند مستقیماً مایعات بدن بیمار، علائم حیاتی و سیستمهای مورد نیاز برای ضبط، ثبت، ارزیابی و گزارش دادههای نتیجه از حسگرهای مختلف را به هم متصل کند. این دستگاه ها سنگ بنای ساخت راه حل های تشخیصی الکتروشیمیایی و نوری هستند و به چنین راه حل هایی برای ارائه موتورهای اندازه گیری سازگار با انواع حسگرهای زیستی و مواد شیمیایی و همچنین یک پلت فرم نرم افزاری قابل ارتقا نیاز دارند.
رابط بین علائم حیاتی بیمار و مایعات بدن و ابزارهای PoC و سیستم های داده مرتبط
شکل 1: شبیه سازی و دستگاه های الکترونیکی مرتبط به عنوان رابط های ارتباطی مهم بین علائم حیاتی بیمار و مایعات بدن، و همچنین ابزارهای PoC و سیستم های داده مرتبط عمل می کنند. (منبع تصویر: دستگاه های آنالوگ)
IC های متنوع برنامه گرا باید بتوانند چالش های مختلف را برطرف کنند
برای نشان دادن این وضعیت میتوانیم از چند مثال استفاده کنیم:
مثال 1: تشخیص فلورسانس نوری (FLD):
از طریق این فناوری، محققان میتوانند توزیع، محلیسازی و برهمکنشهای اجزای بیولوژیکی را در سلولها یا بافتها مطالعه کنند و از این طریق به درک دقیقی از فرآیندها و عملکردهای سلولی که معمولاً توسط میکروسکوپهای نوری استاندارد قابل مشاهده نیستند، دست یابند. این تکنیک به جای کار بر اساس اصول جذب نوری، پراکندگی یا انعکاس، از فلوروفورهای ناشی از فلورسانس استفاده می کند.
مواد فلورسنت نور با طول موج های خاص را جذب می کنند و برخی از الکترون ها را به حالت های انرژی بالاتر برانگیخته می کنند. هنگامی که الکترون ها به حالت پایه باز می گردند، گروه فلورسنت نوری با طول موج مشخصه بلندتر ساطع می کند. با تشخیص و تجزیه و تحلیل فلورسانس ساطع شده، تجسم سطح مولکولی با کنتراست بالا ساختارهای بیولوژیکی را می توان به دست آورد.
سیستم حسگر LED و فوتوالکتریک پیشرفته تر عملکرد و عملکرد بیشتری را برای ما فراهم می کند. برخی از آی سی ها به طور خاص برای این برنامه ها طراحی شده اند، مانند MAX86171 (شکل 2، بالا). این یک سیستم جمع آوری داده های نوری بسیار کم با کانال های انتقال و دریافت است. علیرغم پیچیدگی داخلی آن، تنها چند جزء مجزا باید در برنامه ها پیکربندی شوند (شکل 2، پایین).
MAX86171 سیستم جمعآوری دادههای نوری چند کاناله، بسیار کم توان از دستگاههای آنالوگ (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
شکل 2: سیستم جمع آوری داده های نوری چند کاناله MAX86171 بسیار کم توان (تصویر بالا) سیم کشی خارجی و نیاز به اجزای کمکی غیرفعال را با عملکردهای داخلی بسیار یکپارچه خود ساده می کند (تصویر پایین). (منبع تصویر: دستگاه های آنالوگ)
در سمت فرستنده، MAX86171 مجهز به 9 پین خروجی درایور LED قابل برنامه ریزی است که هر کدام به 3 درایور LED 8 بیتی جریان بالا متصل هستند. در سمت گیرنده، آی سی مجهز به دو قسمت جلویی یکپارچه شارژ با نویز کم و مدارهای لغو نور محیط (ALC) است که یک سیستم جمع آوری داده با کارایی بالا مبتنی بر نوری را تشکیل می دهد.
برای طرحهایی که به کانالهای نوری کمتری نیاز دارند، میتوان از دستگاه MAX86178ENJ+ استفاده کرد که یک علامت حیاتی با درجه بالینی AFE با توان بسیار کم است که میتواند تا شش LED و چهار ورودی فوتودیود را پشتیبانی کند.
لطفاً توجه داشته باشید که شاخصهای عملکرد و اولویتهای کاربردهای پزشکی با موقعیتهای غیرپزشکی مانند کانالهای داده نوری متفاوت است. با توجه به سطح نور نسبتا کم، نویز مطلق پس زمینه جلوی نوری یک پارامتر کلیدی است، نه نسبت سیگنال به نویز (SNR).
اگرچه در زمینه زیست پزشکی، پهنای باند سیگنال و نرخ نمونهبرداری معمولاً بسیار کم است و پارامترهای مرتبط با نرخ چند کیلوهرتز تغییر نمیکنند، ویژگیهای شبیهسازی پیچیده سیستمها و سیگنالهای فیزیولوژیکی بیمار ما را ملزم به تعیین اولویتهای متفاوت در مشخصات فنی میکند. این ویژگی ها شامل حساسیت بالا، دامنه دینامیکی گسترده و نویز کم برای مقابله با موفقیت با محیط های عملیاتی دائما در حال تغییر است. در این محیط پوست و اندام های داخلی بیمار دائماً حرکت خواهند کرد و حتی حرکات جزئی نیز می تواند باعث تغییر در ناحیه تماس و نیروی تماسی شود. علاوه بر این، این ویژگی ها نیز تحت تأثیر تداخل ها و تغییرات مختلف قرار می گیرند و مشکل را پیچیده تر می کنند.
برای برآورده کردن الزامات برنامه، محدوده دینامیکی MAX86171 بسته به طرح آزمایشی بین 91 تا 110 دسی بل (dB) است. وضوح آن 19.5 بیت است، نویز جریان تاریک کمتر از 50 پیکو آمپر (pA) (مقدار مؤثر) و ضریب سرکوب نور محیط در 120 هرتز (هرتز) بهتر از 70 دسی بل است.
مثال شماره 2: پتانسیومتر، آمپر متر، ولتامتری و اندازه گیری امپدانس:
امروزه مهندسان برق می توانند ولتاژ، جریان، امپدانس و روابط متقابل آنها را با استفاده از ابزارهای مختلف استاندارد اندازه گیری کنند. با این حال، این اندازهگیریها الزامات و محدودیتهای منحصر به فردی در محیطهای شیمیایی و بیولوژیکی دارند و سناریوهای مختلفی را ارائه میدهند:
روش پتانسیومتری: استفاده از پتانسیواستات برای اندازه گیری پتانسیل بین دو الکترود برای تعیین غلظت مواد در یک محلول.
آمپر متر: با استفاده از دستگاه اندازه گیری جریان برای تشخیص یون های موجود در محلول بر اساس جریان یا تغییرات جریان
ولتامتری: اعمال یک منحنی ولتاژ خاص در طول زمان به یک الکترود کار و اندازهگیری جریان تولید شده توسط سیستم، معمولاً از یک پتانسیواستات برای اندازهگیری استفاده میکند.
امپدانس: اندازه گیری رابطه جریان ولتاژ بین پوست و بدن
برای ارزیابی این پارامترها می توان از یک توپ AD5940 56 WLCSP با اندازه 3.6 × 4.2 میلی متر (میلی متر) استفاده کرد (شکل 3). این AFE کم مصرف دارای عملکردها و رابط های متعددی است که به طور خاص برای کاربردهای قابل حملی طراحی شده است که به فناوری الکتروشیمیایی با دقت بالا مانند اندازه گیری آمپر، ولت آمپر یا امپدانس نیاز دارند.