La vague de transformation des tests médicaux au chevet (PoC) se déplace des laboratoires vers les cliniques cliniques, les établissements de santé communautaires et même les ménages. Cette transformation accélérera la rapidité du diagnostic, accélérant ainsi les soins aux patients, améliorant l’efficacité et réduisant les coûts.
Pour réaliser le PoC, la première étape consiste à utiliser un circuit intégré optimisé pour les applications multifonctions avec un frontal analogique avancé (AFE) pour se connecter à divers biocapteurs pour l'acquisition et la mesure des données nécessaires. Chaque circuit intégré doit répondre à des exigences caractéristiques uniques pour les mesures électrochimiques, biologiques et connexes complexes, notamment la précision, la faible consommation d'énergie et les fonctionnalités hautement intégrées. Les produits finaux réussis se caractérisent par d’excellentes performances, une grande flexibilité et une évolutivité, qui contribuent à la réalisation de plates-formes tournées vers l’avenir. Ces produits doivent également être équipés de circuits intégrés de contrôle de mouvement et d’authentification fluides et précis pour garantir l’exactitude des données et la sécurité de la confidentialité.
Cet article explorera la transformation majeure vers PoC et son impact sur la conception, puis décrira les scénarios de mesure AFE largement utilisés, en présentant les solutions flexibles qu'Analog Devices peut fournir pour répondre aux exigences de mesure PoC, de contrôle de mouvement et de vérification.
Pourquoi avons-nous besoin de PoC maintenant ?
De nombreux facteurs déterminent la demande de PoC et de traitement des échantillons, notamment la nécessité d’un diagnostic médical rapide pour améliorer l’état de santé individuel. Les réglementations encouragent, voire imposent, davantage de tests. Il existe actuellement une tendance à mener des PoC à proximité des cliniques ou des domiciles pour minimiser l'impact sur les patients, réduire les coûts et gagner du temps. Par conséquent, de tels systèmes nécessitent l’utilisation d’instruments et d’équipements simples et faciles à utiliser mais puissants pour atteindre ces objectifs.
Pour les concepteurs de tels systèmes, AFE、 Le circuit intégré de contrôle de mouvement et de vérification d'identité fournit une interface intermédiaire qui peut connecter directement les fluides corporels du patient, les signes vitaux et les systèmes requis pour capturer, enregistrer, évaluer et rapporter les données de résultats de divers capteurs. Ces dispositifs constituent la pierre angulaire de la création de solutions de diagnostic électrochimiques et optiques et nécessitent que ces solutions fournissent des moteurs de mesure compatibles avec une variété de biocapteurs et de produits chimiques, ainsi qu'une plate-forme logicielle évolutive.
Interface entre les signes vitaux du patient et les fluides corporels et les instruments et systèmes de données PoC associés
Figure 1 : La simulation et les appareils électroniques associés servent d'interfaces de communication importantes entre les signes vitaux du patient et les fluides corporels, ainsi que les instruments PoC et les systèmes de données associés. (Source de l'image : Appareils analogiques)
Les CI diversifiés orientés applications devraient être capables de relever divers défis
Nous pouvons utiliser quelques exemples pour illustrer clairement cette situation :
Exemple 1 : Détection de fluorescence optique (FLD) :
Grâce à cette technologie, les chercheurs peuvent étudier la distribution, la localisation et les interactions des composants biologiques au sein des cellules ou des tissus, acquérant ainsi une compréhension détaillée des processus et fonctions cellulaires qui sont généralement inobservables par les microscopes optiques standards. Cette technique utilise des fluorophores induits par fluorescence au lieu de fonctionner sur la base des principes d'absorption optique, de diffusion ou de réflexion.
Les matériaux fluorescents absorbent la lumière de longueurs d’onde spécifiques, excitant certains électrons vers des états d’énergie plus élevés. Lorsque les électrons reviennent à l’état fondamental, le groupe fluorescent émet une lumière avec une longueur d’onde caractéristique plus longue. En détectant et en analysant la fluorescence émise, une visualisation au niveau moléculaire à contraste élevé des structures biologiques peut être obtenue.
Le système de capteurs LED et photoélectriques plus avancé nous offre plus de performances et de fonctionnalités. Certains circuits intégrés sont spécialement conçus pour ces applications, tels que le MAX86171 (Figure 2, en haut). Il s'agit d'un système d'acquisition de données optiques à très faible consommation avec canaux de transmission et de réception. Malgré sa complexité interne, seuls quelques composants discrets doivent être configurés dans les applications (Figure 2, en bas).
Système d'acquisition de données optique multicanal, ultra-faible consommation MAX86171 d'Analog Devices (cliquez pour agrandir)
Figure 2 : Le système d'acquisition de données optique multicanal à très faible consommation MAX86171 (image du haut) simplifie le câblage externe et le besoin de composants auxiliaires passifs grâce à ses fonctions internes hautement intégrées (image du bas). (Source de l'image : Appareils analogiques)
Côté émetteur, le MAX86171 est équipé de 9 broches de sortie de pilote de LED programmables, chacune connectée à 3 pilotes de LED 8 bits à courant élevé. Côté récepteur, le circuit intégré est équipé de deux circuits frontaux à charge intégrée et à faible bruit et de circuits d'annulation de la lumière ambiante (ALC), formant un système d'acquisition de données hautes performances à base optique et hautement intégré.
Pour les conceptions nécessitant moins de canaux optiques, le dispositif MAX86178ENJ+ peut être utilisé, qui est un AFE de signes vitaux de qualité clinique à très faible consommation d'énergie qui peut prendre en charge jusqu'à six LED et quatre entrées de photodiode.
Veuillez noter que les indicateurs de performance et les priorités des applications médicales sont différents des situations non médicales telles que les canaux de données optiques. En raison du niveau de lumière relativement faible, le bruit de fond absolu du frontal optique est un paramètre clé, plutôt que le rapport signal/bruit (SNR).
Bien que dans le domaine biomédical, la bande passante du signal et le taux d'échantillonnage soient généralement très faibles et que les paramètres associés ne changent pas à un rythme de plusieurs kilohertz, les caractéristiques complexes de simulation des systèmes physiologiques des patients et des signaux eux-mêmes nous obligent à définir des priorités différentes dans les spécifications techniques. Ces fonctionnalités incluent une sensibilité élevée, une large plage dynamique et un faible bruit pour s'adapter avec succès aux environnements d'exploitation en constante évolution. Dans cet environnement, la peau et les organes internes du patient bougent constamment, et même de légers mouvements peuvent entraîner des modifications de la zone de contact et de la force de contact. De plus, ces caractéristiques sont également affectées par diverses interférences et changements, ce qui rend le problème plus complexe.
Pour répondre aux exigences de l'application, la plage dynamique du MAX86171 est comprise entre 91 et 110 décibels (dB), selon la configuration du test. Sa résolution est de 19,5 bits, le bruit de courant d'obscurité est inférieur à 50 picoampères (pA) (valeur effective) et le coefficient de suppression de la lumière ambiante à 120 hertz (Hz) est supérieur à 70 dB.
Exemple n°2 : Potentiomètre, Ampèremètre, Voltampérométrie et Mesure d'impédance :
De nos jours, les ingénieurs électriciens peuvent mesurer efficacement la tension, le courant, l’impédance et leurs relations à l’aide de divers instruments standards. Cependant, ces mesures ont des exigences et des limites uniques dans les environnements chimiques et biologiques, et présentent différents scénarios :
Méthode potentiométrique : utilisation d'un potentiostat pour mesurer le potentiel entre deux électrodes afin de déterminer la concentration de substances dans une solution
Ampèremètre : utilisation d'un appareil de mesure de courant pour détecter les ions dans une solution en fonction du courant ou des changements de courant
Voltamétrie : application d'une courbe de tension spécifique au fil du temps à une électrode de travail et mesure du courant généré par le système, généralement à l'aide d'un potentiostat pour la mesure.
Impédance : mesure de la relation entre la tension et le courant entre la peau et le corps
Pour évaluer ces paramètres, un WLCSP à billes AD5940 56 d'une taille de 3,6 × 4,2 millimètres (mm) peut être utilisé (Figure 3). Cet AFE basse consommation possède de multiples fonctions et interfaces, conçues spécifiquement pour les applications portables qui nécessitent une technologie électrochimique de haute précision telles que les mesures d'ampères, de volts-ampères ou d'impédance.