Yapay zeka (AI), hasta muayenesi ve deneme verilerinden daha derin içgörüler elde edebildi, böylece teşhis yeteneklerini geliştirdi ve tahmin ve trend analizi yeteneklerini geliştirdi. Bir sonraki adım, yapay zeka destekli tıbbi testleri ve örnek analizini laboratuvardan doktorların muayenehanelerine, kliniklerine veya evlerine taşımaktır. Bu hastabaşı (PoC) izleme yöntemi, tıbbi koşulları hızlı bir şekilde değerlendirebilir, hasta yükünü azaltabilir ve daha ayrıntılı veriler sağlamak ve endişe verici eğilimleri daha hızlı tespit etmek için daha sık test yapılmasına olanak sağlayabilir.
Yapay zeka destekli PoC'ye ulaşmak için, gerekli veri toplama ve ölçüm amacıyla çeşitli biyosensörlerle arayüz oluşturmak amacıyla gelişmiş analog ön uç (AFE) içeren, uygulama için optimize edilmiş çok işlevli bir IC kullanmak gerekir. Bu IC'ler, doğruluk, düşük güç tüketimi ve son derece entegre işlevsellik dahil olmak üzere karmaşık elektrokimyasal, biyolojik ve ilgili ölçümlerin benzersiz karakteristik gereksinimlerini karşılamalıdır. Ayrıca veri gizliliğini sağlamak için gelişmiş güvenlik teknolojilerine de güvenmeleri gerekir.
Bu makale, PoC dönüşümü eğilimini ve bunun tasarım üzerindeki etkisini inceleyecek, ardından yaygın olarak kullanılan AFE ölçüm senaryolarını açıklayacak ve PoC ölçümü ve güvenlik gereksinimlerini karşılayabilecek Analog Cihazların örnek çözümlerini tanıtacaktır.
Neden şimdi PoC'ye ihtiyacımız var?
PoC tespitini ve numune işlemeyi artırmaya yönelik itici faktörler şunları içerir: bireysel sağlık koşullarını iyileştirmek için daha fazla ve daha iyi tıbbi teşhislere yönelik talep; Nüfusa dayalı yaşlanma, hastalıklar ve hastalık değişikliklerinin ihtiyaçlarına ilişkin içgörüler geliştirin. Düzenleyici düzenlemeler, daha düşük maliyetlerle yapılması ve test ile bekleme sürelerinin kısaltılması gereken daha fazla testi teşvik ediyor ve hatta zorunlu kılıyor. Buna ek olarak, basit ama güçlü araçlar gerektiren müdahaleyi ve hastalar için maliyetleri en aza indirmek amacıyla kliniklerde veya evlerde daha fazla yerel PoC kurma eğilimi vardır.
Aynı zamanda yapay zeka hızla gelişerek bu verilerin daha derin analiz ve tahminler için kullanılmasına olanak tanıyor.
Bu kapsamlı faktörler, tıbbi test veri toplama ve yönetiminin benzersiz gereksinimlerine göre optimize edilmesi gereken karmaşık IC tabanlı devreler için bir talep ve fırsat yaratır. Bu tip IC, hastanın vücut sıvılarını sisteme bağlayan, çeşitli sensörlerden veri alıp kaydetmekten, değerlendirmekten ve son verileri raporlamaktan sorumlu olan ön uç arayüzdür (Şekil 1).
Hastanın hayati belirtileri ve vücut sıvıları ile ilgili PoC cihazları ve veri sistemleri arasındaki temel arayüz şeması (büyütmek için tıklayın)
Şekil 1: Simülasyon ve ilgili elektronik cihazlar, hastanın yaşamsal belirtileri ve vücut sıvılarının yanı sıra ilgili PoC cihazları ve veri sistemleri arasında önemli iletişim arayüzleri olarak hizmet eder. (Resim kaynağı: Analog Cihazlar)
Uygulama odaklı çeşitlendirilmiş entegre devreler çeşitli zorlukların üstesinden gelebilmelidir
Bu durumu net bir şekilde ortaya koymak için bazı örnekler kullanabiliriz:
Örnek 1: Nabız oksimetresi ve kalp atış hızı monitörü:
Kan oksijen doygunluğu (SpO2) ve kalp atış hızı önemli temel sağlık ölçüm göstergeleridir. İlk parametre, optik ve elektronik teknolojilerin PoC'den beklentileri nasıl değiştirebileceğinin en canlı örneğini sunuyor. SpO2'yi ölçmenin tek yolu her zaman hemşirelerin kan örnekleri alıp bunları test için laboratuvara göndermesi olmuştur.
Artık onlarca yıl öncesinden kalma köklü elektronik optik teknolojisiyle, LED'ler, ışık sensörleri ve parmak uçlarındaki algoritmalar, saniyeler içinde hızlı Kendin Yap okumaları sağlayabilir. Ayrıca LED fotoelektrik sensörlerin aynı düzeni kalp atış hızı bilgisini de sağlayabiliyor.
Daha gelişmiş LED ve fotoelektrik sensör sistemi bize daha fazla performans ve işlevsellik sağlar. İletim ve alım kanallarına sahip ultra düşük güçlü bir optik veri toplama sistemi olan MAX86171 (Şekil 2, üst) gibi bu uygulamalar için özel olarak tasarlanmış bazı IC'ler vardır. Dahili karmaşıklığına rağmen uygulamalarda yalnızca birkaç ayrı bileşenin yapılandırılması gerekir (Şekil 2, altta).
Analog Cihazlardan MAX86171 çok kanallı, ultra düşük güçlü, optik veri toplama sistemi (büyütmek için tıklayın)
Şekil 2: MAX86171 çok kanallı, ultra düşük güçlü, optik veri toplama sistemi (üstteki resim), son derece entegre dahili fonksiyonlarıyla (alttaki resim) harici kablolamayı ve pasif yardımcı bileşenlere olan ihtiyacı basitleştirir. (Resim kaynağı: Analog Cihazlar)
Verici tarafında MAX86171, her biri 3 adet yüksek akımlı 8 bit LED sürücüye bağlanan 9 adet programlanabilir LED sürücü çıkış pini ile donatılmıştır. Alıcı tarafında MAX86171, optik tabanlı, yüksek düzeyde entegre, yüksek performanslı bir veri toplama sistemi oluşturan iki adet düşük gürültülü, şarj entegrasyonu ön uç ve ortam ışığı iptali (ALC) devresiyle donatılmıştır.
Bu IC, SpO2 ve kalp atış hızı verilerine ek olarak kalp atış hızı değişkenliğini, vücut hidrasyonunu, kas ve doku oksijen satürasyonunu (SmO2 ve StO2) ve maksimum oksijen tüketimini (VO2 max) de değerlendirebilir.
Tıbbi uygulamaların performans göstergelerinin ve önceliklerinin tıbbi olmayan durumlardan farklı olduğunu lütfen unutmayın. Nispeten düşük ışık seviyesi nedeniyle, optik ön ucun mutlak arka plan gürültüsü, sinyal-gürültü oranından (SNR) ziyade önemli bir parametredir.
Biyomedikal alanda, ilgili parametreler birkaç kilohertz oranında değişmediğinden sinyal bant genişliği ve örnekleme hızı genellikle çok düşük olmasına rağmen, hastaların ve sinyallerin karmaşık analog özellikleri, spesifikasyonlar açısından farklı öncelik sıraları gerektirir. Bu özellikler arasında sürekli değişen sabit olmayan ortamlarla başarıyla başa çıkabilmek için yüksek hassasiyet, geniş dinamik aralık ve düşük gürültü bulunur. Bu ortamda hastanın cildi ve iç organları sürekli hareket edecek ve en ufak hareketler bile temas bölgesinde ve temas kuvvetinde değişikliklere neden olabilecektir. Ayrıca bu özellikler çeşitli girişimlerden, gürültüden ve değişikliklerden de etkilenerek sorunu daha karmaşık hale getirir.
Uygulama gereksinimlerini karşılamak için MAX86171'in dinamik aralığı, test düzenine bağlı olarak 91 ila 110 desibel (dB) arasındadır. Çözünürlüğü 19,5 bittir, karanlık akım gürültüsü 50 pikoamptan (pA) (etkili değer) azdır ve 120 hertz'de (Hz) ortam ışığı bastırma katsayısı 70 dB'den iyidir.
Örnek 2: Potansiyometrik yöntem, akım analiz yöntemi, volt amper ölçüm yöntemi ve empedans ölçümü:
Günümüzde elektrik mühendisleri, çeşitli standart cihazları kullanarak voltajı, akımı, empedansı ve bunların arasındaki ilişkileri ustalıkla ölçebilmektedir. Ancak bu ölçümlerin kimyasal ve biyolojik ortamlarda benzersiz gereksinimleri ve sınırlamaları vardır ve farklı ölçüm senaryoları sunar:
Potansiyometrik yöntem: Bir çözeltideki maddelerin konsantrasyonunu belirlemek için iki elektrot arasındaki potansiyeli ölçmek için bir potansiyostat kullanma
Akım analiz yöntemi: akıma veya akımdaki değişikliklere dayalı olarak bir çözeltideki iyonları tespit etmek için bir akım ölçüm cihazının kullanılması
Voltametrik yöntem: Çalışma elektroduna zamanla değişen belirli bir voltaj eğrisi uygulayın ve genellikle ölçüm için bir potansiyostat kullanarak sistem tarafından üretilen akımı ölçün.
Empedans: Cilt ile vücut arasındaki voltaj akım ilişkisinin ölçülmesi
Bu parametreleri değerlendirmek için AD5940, 3,6 × 4,2 milimetre (mm) ölçülerinde 56 toplu WLCSP paketinde birden fazla işlevsellik ve arayüz seçeneği sunar (Şekil 3). Bu düşük güçlü AFE, amper, volt amper veya empedans ölçümleri gibi yüksek hassasiyetli elektrokimyasal ölçüm teknikleri gerektiren taşınabilir uygulamalar için özel olarak tasarlanmış çok sayıda fonksiyona ve arayüze sahiptir.