L’intelligence artificielle (IA) a pu obtenir des informations plus approfondies à partir des données d’examen et d’essai des patients, améliorant ainsi les capacités de diagnostic et les capacités d’analyse prédictive et des tendances. La prochaine étape consiste à migrer les tests médicaux et les analyses d’échantillons basés sur l’IA du laboratoire vers les cabinets de médecins, les cliniques ou les domiciles. Cette méthode de surveillance au chevet (PoC) peut évaluer rapidement les conditions médicales, réduire le fardeau des patients et permettre des tests plus fréquents pour fournir des données plus précises et détecter plus rapidement les tendances inquiétantes.
Pour obtenir un PoC piloté par l'IA, il est nécessaire d'utiliser un circuit intégré optimisé pour les applications multifonctions avec un frontal analogique avancé (AFE) pour s'interfacer avec divers biocapteurs pour l'acquisition et la mesure des données nécessaires. Ces circuits intégrés doivent répondre aux exigences caractéristiques uniques des mesures électrochimiques, biologiques et connexes complexes, notamment la précision, la faible consommation d'énergie et les fonctionnalités hautement intégrées. Ils doivent également s’appuyer sur des technologies de sécurité avancées pour garantir la confidentialité des données.
Cet article explorera la tendance de la transformation PoC et son impact sur la conception, puis décrira des scénarios de mesure AFE largement utilisés et présentera des exemples de solutions de dispositifs analogiques pouvant répondre aux exigences de mesure et de sécurité PoC.
Pourquoi avons-nous besoin de PoC maintenant ?
Les facteurs déterminants pour l’augmentation de la détection des PoC et du traitement des échantillons comprennent : la demande de diagnostics médicaux plus nombreux et de meilleure qualité pour améliorer les conditions de santé individuelles ; Développer des connaissances sur les besoins liés au vieillissement de la population, aux maladies et aux changements liés aux maladies. Les réglementations encouragent, voire exigent, davantage de tests, qui doivent être effectués à moindre coût et réduire les tests et les délais d'attente. En outre, il existe une tendance à établir davantage de PoC locaux dans les cliniques ou les domiciles afin de minimiser les interférences et les coûts pour les patients, ce qui nécessite des instruments simples mais puissants.
Dans le même temps, l’IA se développe rapidement, permettant d’utiliser ces données pour des analyses et des prédictions plus approfondies.
Ces facteurs globaux créent une demande et des opportunités pour des circuits complexes basés sur des circuits intégrés qui doivent être optimisés en fonction des exigences uniques de l'acquisition et de la gestion des données de tests médicaux. Ce type de CI est l'interface frontale qui connecte les fluides corporels du patient au système, responsable de la capture et de l'enregistrement des données de divers capteurs, de leur évaluation et de la communication des données finales (Figure 1).
Schéma d'interface clé entre les signes vitaux du patient et les fluides corporels et les instruments et systèmes de données PoC associés (cliquez pour agrandir)
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 : Oxymétrie de pouls et moniteur de fréquence cardiaque :
La saturation en oxygène du sang (SpO2) et la fréquence cardiaque sont des indicateurs de base importants pour mesurer la santé. Le premier paramètre fournit l’exemple le plus frappant de la manière dont les technologies optiques et électroniques peuvent modifier les attentes en matière de PoC. La seule façon de mesurer la SpO2 a toujours été pour les infirmières de prélever des échantillons de sang et de les envoyer au laboratoire pour analyse.
Désormais, grâce à la technologie optique électronique bien établie depuis des décennies, les LED, les capteurs de lumière et les algorithmes situés au bout des doigts peuvent fournir des lectures rapides en quelques secondes. De plus, le même agencement de capteurs photoélectriques LED peut également fournir des informations sur la fréquence cardiaque.
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), qui est un système d'acquisition de données optiques à très faible consommation doté de 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 MAX86171 est équipé de deux circuits frontaux d'intégration de charge et d'annulation de la lumière ambiante (ALC) à faible bruit, formant un système d'acquisition de données hautes performances à base optique et hautement intégré.
En plus des données de SpO2 et de fréquence cardiaque, ce circuit intégré peut également évaluer la variabilité de la fréquence cardiaque, l'hydratation corporelle, la saturation en oxygène des muscles et des tissus (SmO2 et StO2) et la consommation maximale d'oxygène (VO2 max).
Veuillez noter que les indicateurs de performance et les priorités des applications médicales sont différents des situations non médicales. 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 car les paramètres pertinents ne changent pas à une vitesse de plusieurs kilohertz, les propriétés analogiques complexes des patients et des signaux nécessitent des ordres de priorité différents en termes de spécifications. Ces fonctionnalités incluent une sensibilité élevée, une large plage dynamique et un faible bruit pour faire face avec succès aux environnements non fixes 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, bruits et changements, rendant 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 2 : Méthode potentiométrique, méthode d'analyse du courant, méthode de mesure du voltampère et mesure de l'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 de mesure :
Méthode potentiométrique : utilisation d'un potentiostat pour mesurer le potentiel entre deux électrodes afin de déterminer la concentration de substances dans une solution
Méthode d'analyse du courant : utilisation d'un appareil de mesure du courant pour détecter les ions dans une solution en fonction du courant ou des changements de courant
Méthode voltamétrique : appliquez une courbe de tension spécifique qui varie dans le temps à l'électrode de travail et mesurez le 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, l'AD5940 offre plusieurs fonctionnalités et options d'interface dans un boîtier WLCSP à 56 billes mesurant 3,6 × 4,2 millimètres (mm) (Figure 3). Cet AFE basse consommation possède de multiples fonctions et interfaces, conçues spécifiquement pour les applications portables qui nécessitent des techniques de mesure électrochimiques de haute précision telles que les mesures d'ampère, de voltampère ou d'impédance.