استفاده از دستگاه های پیشرفته شبیه سازی جلو و امنیتی برای آوردن مزایای هوش مصنوعی به تجهیزات تشخیص پزشکی کنار تخت

هوش مصنوعی (AI) توانسته است بینش های عمیق تری را از داده های معاینه بیماران و آزمایشات به دست آورد.در نتیجه بهبود قابلیت های تشخیصی و افزایش قابلیت های پیش بینی و تجزیه و تحلیل روندگام بعدی انتقال آزمایشات پزشکی و تجزیه و تحلیل نمونه های مبتنی بر هوش مصنوعی از آزمایشگاه به دفاتر پزشکان، کلینیک ها یا خانه ها است.این روش نظارت بر بستر می تواند به سرعت شرایط پزشکی را ارزیابی کند، بار بیمار را کاهش می دهد و آزمایشات مکرر تر را برای ارائه داده های دقیق تر و تشخیص سریع تر روند نگران کننده امکان پذیر می کند.

برای دستیابی به PoC که توسط هوش مصنوعی هدایت می شود،لازم است که از یک برنامه ی چند منظوره ی بهینه شده ی IC با فرنت اِند آنالوگ پیشرفته (AFE) برای رابط با حسگرهای زیستی مختلف برای جمع آوری و اندازه گیری داده های لازم استفاده شود.این IC ها باید نیازهای منحصر به فرد ویژگی های سنجش های پیچیده الکتروشیمی، بیولوژیکی و مرتبط را از جمله دقت، مصرف انرژی کم،و قابلیت های بسیار یکپارچهآنها همچنین باید به فناوری های امنیتی پیشرفته برای اطمینان از حریم خصوصی داده ها تکیه کنند.

این مقاله روند تحول PoC و تأثیر آن بر طراحی را بررسی می کند و سپس سناریوهای اندازه گیری AFE به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد.و راه حل های نمونه ای از دستگاه های آنالوگ را معرفی کنید که می توانند نیازهای اندازه گیری PoC و امنیت را برآورده کنند..

چرا ما الان به PoC نياز داريم؟
عوامل محرک افزایش تشخیص PoC و پردازش نمونه عبارتند از: تقاضا برای تشخیص های پزشکی بیشتر و بهتر برای بهبود شرایط سلامت فردی؛توسعه بینش در مورد نیازهای پیری مبتنی بر جمعیتمقررات مقررات تشویق یا حتی نیاز به آزمایش بیشتر، که باید با هزینه های پایین تر انجام شود و آزمایش و زمان انتظار را کاهش دهد.تمایل به ایجاد بیشتر PoC های محلی در کلینیک ها یا خانه ها برای به حداقل رساندن دخالت و هزینه برای بیماران وجود داردکه به ابزار ساده اما قدرتمند نیاز دارد.

در عین حال، هوش مصنوعی به سرعت در حال توسعه است، که این داده ها را قادر می سازد برای تجزیه و تحلیل عمیق تر و پیش بینی استفاده شود.

These comprehensive factors create a demand and opportunity for complex IC based circuits that need to be optimized according to the unique requirements of medical testing data acquisition and managementاین نوع IC رابط جلو است که مایعات بدن بیمار را با سیستم متصل می کند، مسئول ضبط و ثبت داده ها از سنسورهای مختلف، ارزیابی آن،و گزارش داده های نهایی (شکل 1).

نمودار رابط کلیدی بین علائم حیاتی بیمار و مایعات بدن و ابزارهای PoC مرتبط و سیستم های داده (برای بزرگ تر کردن کلیک کنید)
شکل 1: شبیه سازی و دستگاه های الکترونیکی مرتبط به عنوان رابط های ارتباطی مهم بین نشانه های حیاتی بیمار و مایعات بدن و همچنین ابزارهای PoC و سیستم های داده مربوطه عمل می کنند.(منبع تصویر): دستگاه های آنالوگ

IC های متنوعی که به برنامه های کاربردی گرا هستند باید بتوانند به چالش های مختلف بپردازند.
ما می توانیم از چند مثال استفاده کنیم تا این وضعیت را به وضوح نشان دهیم:

مثال ۱: اکسیمتری نبض و مانیتور ضربان قلب:

اشباع اکسیژن خون (SpO2) و ضربان قلب شاخص های اساسی مهم اندازه گیری سلامت هستند.پارامتر اول، واضح ترین مثال این است که چگونه فناوری های نوری و الکترونیکی می توانند انتظارات PoC را تغییر دهند.تنها راه اندازه گيري SpO2 هميشه اين بوده که پرستاران نمونه خون بگيرن و براي آزمايش به آزمايشگاه بفرستن

اکنون، با استفاده از فناوری نوری الکترونیکی که دهه ها پیش وجود داشت، دی ال ها، سنسورهای نور و الگوریتم های روی نوک انگشتان می توانند در عرض چند ثانیه، قرائت های سریع DIY را ارائه دهند.همان ترتیب سنسورهای فوتو الکتریکی LED نیز می تواند اطلاعات ضربان قلب را ارائه دهد..

سیستم پیشرفته تر LED و سنسورهای فتو الکتریکی به ما عملکرد و عملکرد بیشتری می دهد. برخی از IC ها به طور خاص برای این برنامه ها طراحی شده اند، مانند MAX86171 (شکل 2،بالا)، که یک سیستم اکتشاف داده های نوری با قدرت بسیار پایین با کانال های انتقال و دریافت است.تنها چند قطعه ی مجزا نیاز به پیکربندی در برنامه های کاربردی دارند (شکل 2)، پايين)

MAX86171 چند کانال، بسیار کم قدرت، سیستم اکتشاف داده های نوری از دستگاه های آنالوگ (برای بزرگ تر کردن کلیک کنید)
شکل 2: MAX86171 چند کانال، قدرت بسیار کم،سیستم جمع آوری داده های نوری (تصویر بالا) سیم کشی خارجی و نیاز به اجزای کمکی منفعل را با توابع 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 در حال حاضر متصل می شوند. در سمت گیرنده،MAX86171 مجهز به دو دستگاه کم صدا است، مدارهای یکپارچه سازی شارژ فرنتند و لغو نور محیطی (ALC) ، که یک سیستم جمع آوری داده با عملکرد بالا مبتنی بر نوری و بسیار یکپارچه را تشکیل می دهند.

علاوه بر SpO2 و داده های ضربان قلب، این IC همچنین می تواند تغییرات ضربان قلب، هیدراتاسیون بدن، اشباع اکسیژن عضلات و بافت ها (SmO2 و StO2) را ارزیابی کند.و حداکثر مصرف اکسیژن (VO2 max).

لطفاً توجه داشته باشید که شاخص های عملکرد و اولویت های کاربردهای پزشکی با شرایط غیر پزشکی متفاوت است.ضوضای مطلق پس زمینه از انتهای جلو نوری یک پارامتر کلیدی است.، نه نسبت سیگنال به سر و صدا (SNR).

اگرچه در زمینه زیست پزشکی، پهنای باند سیگنال و نرخ نمونه گیری معمولا بسیار پایین است زیرا پارامترهای مربوطه در سرعت چند کیلوهرتز تغییر نمی کنند،ویژگی های پیچیده آنالوگ بیماران و سیگنال ها نیاز به اولویت های مختلف از نظر مشخصات دارند.این ویژگی ها شامل حساسیت بالا، محدوده پویایی گسترده و سر و صدا کم برای مقابله با محیط های ثابت و دائما در حال تغییر است.پوست بیمار و اندام های داخلی به طور مداوم حرکت می کنند، و حتی حرکات کوچک می تواند باعث تغییر در منطقه تماس و نیروی تماس شود. علاوه بر این، این ویژگی ها نیز توسط تداخلات مختلف، سر و صدا و تغییرات تحت تاثیر قرار می گیرند.مشکل را پیچیده تر می کند.

برای پاسخگویی به الزامات کاربرد، محدوده پویا MAX86171 بین 91 و 110 دسیبل (dB) ، بسته به طرح آزمایش است.نویز جریان تاریک کمتر از 50 picoamp (pA) (ارزش موثر)، و ضخامت نور محیط در 120 هرتز (هرتز) بهتر از 70 دی بی است.

مثال 2: روش پتانسیومتریک، روش تجزیه و تحلیل جریان، روش اندازه گیری ولت آمپر و اندازه گیری مقاومت:

امروزه مهندسان برق می توانند ولتاژ، جریان، مقاومت و روابط متقابل آنها را با استفاده از ابزارهای استاندارد مختلف اندازه گیری کنند.این اندازه گیری ها دارای الزامات و محدودیت های منحصر به فرد در محیط های شیمیایی و بیولوژیکی هستند.، و سناریوهای اندازه گیری مختلف را ارائه می دهند:

روش پتانسیومتریک: استفاده از پتانسیوستات برای اندازه گیری پتانسیل بین دو الکترود برای تعیین غلظت مواد در محلول
روش تجزیه و تحلیل جریان: استفاده از یک دستگاه اندازه گیری جریان برای تشخیص یون ها در محلول بر اساس جریان یا تغییرات در جریان
روش ولتا متریک: یک منحنی ولتاژ خاص که در طول زمان تغییر می کند را به الکترود کاری اعمال کنید و جریان تولید شده توسط سیستم را اندازه گیری کنید، معمولاً با استفاده از پتانتیوستات برای اندازه گیری
مقاومت: اندازه گیری رابطه ولتاژ و جریان بین پوست و بدن
برای ارزیابی این پارامترها، AD5940 قابلیت های متعدد و گزینه های رابط را در یک بسته WLCSP 56 توپ با اندازه 3.6 × 4.2 میلی متر (میلی متر) ارائه می دهد (شکل 3).این AFE کم مصرف دارای چندین عملکرد و رابط است، به طور خاص برای کاربردهای قابل حمل طراحی شده است که نیاز به تکنیک های اندازه گیری الکتروشیمی با دقت بالا مانند آمپر، ولت آمپر یا اندازه گیری مقاومت دارند.