هوش مصنوعی (AI) توانسته است بینش های عمیق تری از داده های معاینه و آزمایش بیمار به دست آورد و در نتیجه قابلیت های تشخیصی را بهبود بخشد و قابلیت های پیش بینی و تحلیل روند را افزایش دهد. گام بعدی انتقال آزمایش های پزشکی مبتنی بر هوش مصنوعی و تجزیه و تحلیل نمونه از آزمایشگاه به مطب پزشکان، کلینیک ها یا خانه ها است. این روش نظارت بر بالین (PoC) میتواند به سرعت شرایط پزشکی را ارزیابی کند، بار بیمار را کاهش دهد و آزمایشهای مکرر را برای ارائه دادههای دقیقتر و شناسایی سریعتر روندهای نگرانکننده امکانپذیر کند.
برای دستیابی به PoC مبتنی بر هوش مصنوعی، لازم است از یک IC بهینهسازی شده چند منظوره کاربردی با آنالوگ پیشرفته (AFE) برای ارتباط با بیوسنسورهای مختلف برای جمعآوری و اندازهگیری دادههای لازم استفاده شود. این آی سی ها باید الزامات مشخصه منحصربفرد مربوط به اندازه گیری های پیچیده الکتروشیمیایی، بیولوژیکی و مرتبط، از جمله دقت، مصرف انرژی کم، و عملکرد بسیار یکپارچه را برآورده کنند. آنها همچنین باید به فناوری های امنیتی پیشرفته برای اطمینان از حریم خصوصی داده ها اعتماد کنند.
این مقاله روند تبدیل PoC و تاثیر آن بر طراحی را بررسی میکند، سپس سناریوهای اندازهگیری AFE پرکاربرد را شرح میدهد و نمونه راهحلهایی از دستگاههای آنالوگ را معرفی میکند که میتوانند اندازهگیری PoC و الزامات امنیتی را برآورده کنند.
چرا اکنون به PoC نیاز داریم؟
عوامل محرک برای افزایش تشخیص PoC و پردازش نمونه عبارتند از: تقاضا برای تشخیصهای پزشکی بیشتر و بهتر برای بهبود شرایط سلامت فردی. بینش هایی را در مورد نیازهای پیری مبتنی بر جمعیت، بیماری ها و تغییرات بیماری ایجاد کنید. مقررات نظارتی تست های بیشتری را تشویق می کند یا حتی نیاز به آزمایش بیشتری دارد، که باید با هزینه کمتر انجام شود و زمان آزمایش و انتظار کاهش یابد. علاوه بر این، یک روند برای ایجاد PoC محلی بیشتر در کلینیک ها یا خانه ها برای به حداقل رساندن تداخل و هزینه برای بیماران وجود دارد که به ابزارهای ساده و در عین حال قدرتمند نیاز دارد.
در عین حال، هوش مصنوعی به سرعت در حال توسعه است و این امکان را می دهد که از این داده ها برای تحلیل و پیش بینی عمیق تر استفاده شود.
این عوامل جامع تقاضا و فرصتی را برای مدارهای پیچیده مبتنی بر IC ایجاد می کند که باید مطابق با الزامات منحصر به فرد جمع آوری و مدیریت داده های تست پزشکی بهینه شوند. این نوع آی سی رابط جلویی است که مایعات بدن بیمار را به سیستم متصل می کند و مسئول گرفتن و ضبط داده ها از حسگرهای مختلف، ارزیابی آن و گزارش داده های نهایی است (شکل 1).
نمودار رابط کلیدی بین علائم حیاتی بیمار و مایعات بدن و ابزارهای PoC و سیستم های داده مرتبط (برای بزرگنمایی کلیک کنید)
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: پالس اکسیمتری و مانیتور ضربان قلب:
اشباع اکسیژن خون (SpO2) و ضربان قلب از شاخص های اساسی اندازه گیری سلامت هستند. پارامتر اول واضح ترین مثال را ارائه می دهد که چگونه فناوری های نوری و الکترونیکی می توانند انتظارات PoC را تغییر دهند. تنها راه اندازه گیری SpO2 همیشه این بوده است که پرستاران نمونه خون گرفته و برای آزمایش به آزمایشگاه ارسال کنند.
اکنون، با تکنولوژی نوری الکترونیکی به خوبی تثبیت شده از چندین دهه پیش، LED ها، حسگرهای نور و الگوریتم های موجود در نوک انگشتان می توانند خواندن سریع DIY را در چند ثانیه ارائه دهند. علاوه بر این، چیدمان یکسان سنسورهای فوتوالکتریک LED نیز می تواند اطلاعات ضربان قلب را ارائه دهد.
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 کاربردها طراحی شده اند، مانند MAX86171 (شکل 2، بالا)، که 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، MAX86171 مجهز به دو مدار کم نویز، یکپارچهسازی شارژ و حذف نور محیط (ALC) است که یک سیستم جمعآوری داده با کارایی بالا مبتنی بر نوری را تشکیل میدهد.
علاوه بر دادههای SpO2 و ضربان قلب، این IC میتواند تغییرات ضربان قلب، هیدراتاسیون بدن، اشباع اکسیژن بافتی و عضلانی (SmO2 و StO2) و حداکثر مصرف اکسیژن (VO2 max) را نیز ارزیابی کند.
لطفاً توجه داشته باشید که شاخصهای عملکرد و اولویتهای کاربردهای پزشکی با موقعیتهای غیرپزشکی 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 زیرا پارامترهای مربوطه با نرخ چند کیلوهرتز تغییر نمیکنند، ویژگیهای آنالوگ پیچیده بیماران و سیگنالها به ترتیب اولویتهای متفاوتی از نظر مشخصات نیاز دارند. این ویژگی ها شامل حساسیت بالا، دامنه دینامیکی گسترده و نویز کم برای مقابله با موفقیت با محیط های غیر ثابت 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، نویزها 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 2: روش پتانسیومتری، روش تحلیل جریان، روش اندازه گیری ولت آمپر 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 منحصربهفردی در محیطهای شیمیایی و بیولوژیکی دارند و سناریوهای اندازهگیری متفاوتی را ارائه میدهند:
روش پتانسیومتری: استفاده از پتانسیواستات برای اندازه گیری پتانسیل بین دو الکترود برای تعیین غلظت مواد در یک محلول.
روش تجزیه و تحلیل جریان: استفاده از دستگاه اندازه گیری جریان برای تشخیص یون های موجود در محلول بر اساس جریان یا تغییرات جریان
روش ولتامتری: منحنی ولتاژ خاصی را که در طول زمان تغییر میکند روی الکترود کار اعمال کنید و جریان تولید شده توسط سیستم را اندازهگیری کنید، معمولاً از یک پتانسیواستات برای اندازهگیری استفاده میکنید.
امپدانس: اندازه گیری رابطه جریان ولتاژ بین پوست و بدن
برای ارزیابی این پارامترها، AD5940 چندین عملکرد و گزینه های رابط را در یک بسته 56 توپی WLCSP با ابعاد 3.6 × 4.2 میلی متر (میلی متر) ارائه می دهد (شکل 3). این AFE کم مصرف دارای عملکردها و رابط های متعددی است که به طور خاص برای برنامه های قابل حملی طراحی شده است که به تکنیک های اندازه گیری الکتروشیمیایی با دقت بالا مانند اندازه گیری آمپر، ولت آمپر یا امپدانس نیاز دارند.