A inteligência artificial (IA) conseguiu obter insights mais profundos a partir de exames de pacientes e dados de ensaios, melhorando assim as capacidades de diagnóstico e aprimorando as capacidades de análise preditiva e de tendências. A próxima etapa é migrar testes médicos e análises de amostras baseados em IA do laboratório para consultórios médicos, clínicas ou residências. Este método de monitoramento à beira do leito (PoC) pode avaliar rapidamente as condições médicas, reduzir a carga do paciente e permitir testes mais frequentes para fornecer dados mais refinados e detectar tendências preocupantes com mais rapidez.
Para obter PoC orientado por IA, é necessário usar um IC multifuncional otimizado para aplicação com front-end analógico avançado (AFE) para fazer interface com vários biossensores para aquisição e medição de dados necessárias. Esses ICs devem atender aos requisitos característicos exclusivos de medições eletroquímicas, biológicas e relacionadas complexas, incluindo precisão, baixo consumo de energia e funcionalidade altamente integrada. Devem também contar com tecnologias de segurança avançadas para garantir a privacidade dos dados.
Este artigo explorará a tendência de transformação PoC e seu impacto no design, depois descreverá cenários de medição AFE amplamente utilizados e apresentará exemplos de soluções de dispositivos analógicos que podem atender aos requisitos de medição e segurança PoC.
Por que precisamos do PoC agora?
Os factores determinantes para aumentar a detecção de PoC e o processamento de amostras incluem: a procura de mais e melhores diagnósticos médicos para melhorar as condições de saúde individuais; Desenvolver insights sobre as necessidades do envelhecimento populacional, doenças e mudanças nas doenças. As regulamentações regulamentares incentivam ou mesmo exigem mais testes, que devem ser realizados com custos mais baixos e reduzir os testes e os tempos de espera. Além disso, há uma tendência de estabelecer mais PoC locais em clínicas ou residências para minimizar interferências e custos para os pacientes, o que requer instrumentos simples, mas poderosos.
Ao mesmo tempo, a IA está a desenvolver-se rapidamente, permitindo que estes dados sejam utilizados para análises e previsões mais profundas.
Esses fatores abrangentes criam uma demanda e uma oportunidade para circuitos complexos baseados em IC que precisam ser otimizados de acordo com os requisitos exclusivos de aquisição e gerenciamento de dados de testes médicos. Esse tipo de CI é a interface front-end que conecta os fluidos corporais do paciente ao sistema, responsável por capturar e registrar dados de diversos sensores, avaliá-los e reportar os dados finais (Figura 1).
Diagrama principal da interface entre os sinais vitais do paciente e fluidos corporais e instrumentos PoC e sistemas de dados relacionados (clique para ampliar)
Figura 1: A simulação e os dispositivos eletrônicos relacionados servem como importantes interfaces de comunicação entre os sinais vitais do paciente e os fluidos corporais, bem como os instrumentos PoC e sistemas de dados relacionados. (Fonte da imagem: Dispositivos Analógicos)
ICs diversificados e orientados para aplicações devem ser capazes de enfrentar vários desafios
Podemos usar alguns exemplos para ilustrar claramente esta situação:
Exemplo 1: Oximetria de pulso e monitor de frequência cardíaca:
A saturação de oxigênio no sangue (SpO2) e a frequência cardíaca são importantes indicadores básicos de medição da saúde. O primeiro parâmetro fornece o exemplo mais vívido de como as tecnologias ópticas e eletrônicas podem mudar as expectativas do PoC. A única forma de medir a SpO2 sempre foi os enfermeiros colherem amostras de sangue e enviá-las ao laboratório para análise.
Agora, com a tecnologia óptica eletrônica bem estabelecida de décadas atrás, LEDs, sensores de luz e algoritmos na ponta dos dedos podem fornecer leituras DIY rápidas em segundos. Além disso, o mesmo arranjo de sensores fotoelétricos LED também pode fornecer informações de frequência cardíaca.
O sistema mais avançado de sensores LED e fotoelétricos nos proporciona mais desempenho e funcionalidade. Existem alguns ICs projetados especificamente para essas aplicações, como o MAX86171 (Figura 2, topo), que é um sistema óptico de aquisição de dados de ultrabaixa potência com canais de transmissão e recepção. Apesar da sua complexidade interna, apenas alguns componentes discretos precisam ser configurados nas aplicações (Figura 2, parte inferior).
Sistema de aquisição de dados ópticos multicanal e ultrabaixo consumo de energia MAX86171 da Analog Devices (clique para ampliar)
Figura 2: O sistema óptico de aquisição de dados multicanal e de ultrabaixa potência MAX86171 (imagem superior) simplifica a fiação externa e a necessidade de componentes auxiliares passivos com suas funções internas altamente integradas (imagem inferior). (Fonte da imagem: Dispositivos Analógicos)
No lado do transmissor, o MAX86171 está equipado com 9 pinos de saída de driver de LED programáveis, cada um conectado a 3 drivers de LED de 8 bits de alta corrente. No lado do receptor, o MAX86171 é equipado com dois circuitos front-end de integração de carga e cancelamento de luz ambiente (ALC) de baixo ruído, formando um sistema de aquisição de dados de alto desempenho altamente integrado e baseado em óptica.
Além dos dados de SpO2 e frequência cardíaca, este IC também pode avaliar a variabilidade da frequência cardíaca, hidratação corporal, saturação de oxigênio muscular e tecidual (SmO2 e StO2) e consumo máximo de oxigênio (VO2 máx).
Observe que os indicadores de desempenho e as prioridades das aplicações médicas são diferentes das situações não médicas. Devido ao nível de luz relativamente baixo, o ruído de fundo absoluto do front-end óptico é um parâmetro chave, em vez da relação sinal-ruído (SNR).
Embora no campo biomédico a largura de banda do sinal e a taxa de amostragem sejam geralmente muito baixas porque os parâmetros relevantes não mudam a uma taxa de vários quilohertz, as complexas propriedades analógicas dos pacientes e dos sinais requerem diferentes ordens de prioridade em termos de especificações. Esses recursos incluem alta sensibilidade, ampla faixa dinâmica e baixo ruído para lidar com sucesso em ambientes não fixos em constante mudança. Nesse ambiente, a pele e os órgãos internos do paciente se moverão constantemente, e mesmo movimentos leves podem causar alterações na área de contato e na força de contato. Além disso, essas características também são afetadas por diversas interferências, ruídos e alterações, tornando o problema mais complexo.
Para atender aos requisitos da aplicação, a faixa dinâmica do MAX86171 está entre 91 e 110 decibéis (dB), dependendo do layout do teste. Sua resolução é de 19,5 bits, o ruído de corrente escura é inferior a 50 picoamps (pA) (valor efetivo) e o coeficiente de supressão de luz ambiente a 120 hertz (Hz) é melhor que 70 dB.
Exemplo 2: Método potenciométrico, método de análise de corrente, método de medição de volt-ampere e medição de impedância:
Hoje em dia, os engenheiros elétricos podem medir com eficiência tensão, corrente, impedância e suas inter-relações usando vários instrumentos padrão. No entanto, estas medições têm requisitos e limitações únicos em ambientes químicos e biológicos e apresentam diferentes cenários de medição:
Método potenciométrico: usando um potenciostato para medir o potencial entre dois eletrodos para determinar a concentração de substâncias em uma solução
Método de análise de corrente: usando um dispositivo de medição de corrente para detectar íons em uma solução com base na corrente ou em mudanças na corrente
Método voltamétrico: Aplicar uma curva de tensão específica que varia ao longo do tempo ao eletrodo de trabalho e medir a corrente gerada pelo sistema, geralmente usando um potenciostato para medição
Impedância: Medir a relação de corrente de tensão entre a pele e o corpo
Para avaliar esses parâmetros, o AD5940 oferece múltiplas funcionalidades e opções de interface em um pacote WLCSP de 56 esferas medindo 3,6 × 4,2 milímetros (mm) (Figura 3). Este AFE de baixa potência possui múltiplas funções e interfaces, projetadas especificamente para aplicações portáteis que exigem técnicas de medição eletroquímica de alta precisão, como medições de ampere, volt-ampere ou impedância.