คลื่นการเปลี่ยนแปลงของการทดสอบทางการแพทย์ข้างเตียง (PoC) กำลังเปลี่ยนจากห้องปฏิบัติการไปสู่คลินิกคลินิก สถาบันดูแลสุขภาพชุมชน และแม้แต่ครัวเรือน การเปลี่ยนแปลงครั้งนี้จะช่วยเร่งความเร็วของการวินิจฉัย ซึ่งจะช่วยเร่งการดูแลผู้ป่วย ปรับปรุงประสิทธิภาพ และลดต้นทุน
เพื่อให้บรรลุ PoC ขั้นตอนแรกคือการใช้วงจรรวมที่ได้รับการปรับปรุงการใช้งานแบบมัลติฟังก์ชั่น พร้อมด้วยฟรอนต์เอนด์อะนาล็อกขั้นสูง (AFE) เพื่อเชื่อมต่อกับไบโอเซนเซอร์ต่างๆ เพื่อรับและการวัดข้อมูลที่จำเป็น IC แต่ละตัวจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดคุณลักษณะเฉพาะสำหรับการวัดทางเคมีไฟฟ้า ชีวภาพ และที่เกี่ยวข้องที่ซับซ้อน รวมถึงความแม่นยำ การใช้พลังงานต่ำ และฟังก์ชันการทำงานที่มีการผสานรวมในระดับสูง ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ประสบความสำเร็จนั้นโดดเด่นด้วยประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ความยืดหยุ่นสูง และความสามารถในการอัปเกรด ซึ่งนำไปสู่การสร้างแพลตฟอร์มที่มองไปข้างหน้า ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ยังต้องติดตั้งระบบควบคุมการเคลื่อนไหวและการตรวจสอบความถูกต้องที่ราบรื่นและแม่นยำ เพื่อรับรองความถูกต้องของข้อมูลและความปลอดภัยของความเป็นส่วนตัว
บทความนี้จะสำรวจการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญต่อ PoC และผลกระทบต่อการออกแบบ จากนั้นจะอธิบายสถานการณ์การวัด AFE ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยแนะนำโซลูชันที่ยืดหยุ่นซึ่งอุปกรณ์อะนาล็อกสามารถให้ได้เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดของการวัด PoC การควบคุมการเคลื่อนไหว และการตรวจสอบ
ทำไมเราถึงต้องการ PoC ในตอนนี้?
มีหลายปัจจัยที่ผลักดันความต้องการ PoC และการประมวลผลตัวอย่าง รวมถึงความจำเป็นในการวินิจฉัยทางการแพทย์อย่างรวดเร็วเพื่อปรับปรุงสภาวะสุขภาพของแต่ละบุคคล กฎระเบียบบังคับหรือบังคับใช้การทดสอบเพิ่มเติม ปัจจุบันมีแนวโน้มการใช้ PoC ใกล้คลินิกหรือบ้านเพื่อลดผลกระทบต่อผู้ป่วย ลดต้นทุน และประหยัดเวลา ดังนั้นระบบดังกล่าวจึงจำเป็นต้องใช้เครื่องมือและอุปกรณ์ที่เรียบง่ายแต่ทรงพลังเพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้
สำหรับนักออกแบบระบบดังกล่าว AFE、 ระบบควบคุมการเคลื่อนไหวและการยืนยันตัวตนมีอินเทอร์เฟซระดับกลางที่สามารถเชื่อมต่อของเหลวในร่างกายของผู้ป่วย สัญญาณชีพ และระบบที่จำเป็นในการบันทึก บันทึก ประเมิน และรายงานข้อมูลผลลัพธ์จากเซ็นเซอร์ต่างๆ อุปกรณ์เหล่านี้เป็นรากฐานสำคัญของการสร้างโซลูชันการวินิจฉัยทางเคมีไฟฟ้าและออปติคอล และต้องการโซลูชันดังกล่าวเพื่อจัดหาเครื่องมือตรวจวัดที่เข้ากันได้กับไบโอเซนเซอร์และสารเคมีหลากหลายชนิด รวมถึงแพลตฟอร์มที่อัปเกรดซอฟต์แวร์ได้
การเชื่อมต่อระหว่างสัญญาณชีพของผู้ป่วยกับของเหลวในร่างกาย และเครื่องมือ PoC และระบบข้อมูลที่เกี่ยวข้อง
รูปที่ 1: การจำลองและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องทำหน้าที่เป็นอินเทอร์เฟซการสื่อสารที่สำคัญระหว่างสัญญาณชีพของผู้ป่วยและของเหลวในร่างกาย รวมถึงเครื่องมือ PoC และระบบข้อมูลที่เกี่ยวข้อง (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์อะนาล็อก)
ไอซีที่หลากหลายที่เน้นการใช้งานควรจะสามารถจัดการกับความท้าทายต่างๆ ได้
เราสามารถใช้ตัวอย่างเพื่ออธิบายสถานการณ์นี้ได้อย่างชัดเจน:
ตัวอย่างที่ 1: การตรวจจับแสงเรืองแสง (FLD):
ด้วยเทคโนโลยีนี้ นักวิจัยสามารถศึกษาการกระจายตัว การจำกัดตำแหน่ง และปฏิสัมพันธ์ของส่วนประกอบทางชีววิทยาภายในเซลล์หรือเนื้อเยื่อ ดังนั้นจึงได้รับความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับกระบวนการและการทำงานของเซลล์ที่โดยทั่วไปแล้วไม่สามารถสังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมาตรฐาน เทคนิคนี้ใช้ฟลูออโรฟอร์ที่เหนี่ยวนำให้เกิดเรืองแสงแทนการทำงานตามหลักการดูดกลืนแสง การกระเจิง หรือการสะท้อนกลับ
วัสดุฟลูออเรสเซนต์ดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นจำเพาะ กระตุ้นให้อิเล็กตรอนบางส่วนมีสถานะพลังงานสูงขึ้น เมื่ออิเล็กตรอนกลับสู่สถานะพื้น หมู่ฟลูออเรสเซนต์จะปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่นที่มีลักษณะเฉพาะยาวกว่า ด้วยการตรวจจับและวิเคราะห์การเรืองแสงที่ปล่อยออกมา ทำให้สามารถสร้างภาพระดับโมเลกุลที่มีคอนทราสต์สูงของโครงสร้างทางชีววิทยาได้
ระบบเซ็นเซอร์ LED และโฟโตอิเล็กทริคที่ล้ำหน้ายิ่งขึ้นทำให้เรามีประสิทธิภาพและฟังก์ชันการทำงานมากขึ้น มีไอซีบางตัวที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานเหล่านี้ เช่น MAX86171 (รูปที่ 2 ด้านบน) นี่คือระบบการรับข้อมูลออปติคัลพลังงานต่ำพิเศษพร้อมช่องสัญญาณการรับและส่งสัญญาณ แม้จะมีความซับซ้อนภายใน แต่จำเป็นต้องกำหนดค่าส่วนประกอบแยกเพียงไม่กี่ชิ้นในแอปพลิเคชัน (รูปที่ 2 ด้านล่าง)
MAX86171 ระบบรับข้อมูลแบบออปติคอลหลายช่องสัญญาณ พลังงานต่ำเป็นพิเศษจากอุปกรณ์อะนาล็อก (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)
รูปที่ 2: ระบบเก็บข้อมูลออปติคอลแบบหลายช่องสัญญาณ MAX86171 พลังงานต่ำเป็นพิเศษ (ภาพด้านบน) ช่วยลดความยุ่งยากในการเดินสายภายนอกและความต้องการส่วนประกอบเสริมแบบพาสซีฟด้วยฟังก์ชันภายในที่มีการบูรณาการสูง (ภาพด้านล่าง) (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์อะนาล็อก)
ที่ด้านเครื่องส่งสัญญาณ MAX86171 มีพินเอาท์พุตไดรเวอร์ LED ที่ตั้งโปรแกรมได้ 9 พิน โดยแต่ละพินเชื่อมต่อกับไดรเวอร์ LED 8 บิตกระแสสูง 3 ตัว ในด้านตัวรับ IC ได้ติดตั้งวงจรส่วนหน้าที่รวมการชาร์จและเสียงรบกวนต่ำ (ALC) เสียงรบกวนต่ำไว้ด้วยกัน 2 วงจร ก่อให้เกิดระบบการรับข้อมูลประสิทธิภาพสูงที่มีการผสานรวมแบบออปติคอล
สำหรับการออกแบบที่ต้องการช่องแสงน้อยลง สามารถใช้อุปกรณ์ MAX86178ENJ+ ซึ่งเป็น AFE สัญญาณชีพระดับทางคลินิกที่ใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษ ซึ่งสามารถรองรับ LED ได้สูงสุด 6 ดวงและอินพุตโฟโตไดโอด 4 อินพุต
โปรดทราบว่าตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพและลำดับความสำคัญของการใช้งานทางการแพทย์แตกต่างจากสถานการณ์ที่ไม่ใช่ทางการแพทย์ เช่น ช่องข้อมูลออปติคัล เนื่องจากระดับแสงค่อนข้างต่ำ เสียงพื้นหลังสัมบูรณ์ของส่วนหน้าแบบออปติคัลจึงเป็นพารามิเตอร์หลัก ไม่ใช่อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (SNR)
แม้ว่าในสาขาชีวการแพทย์ แบนด์วิดธ์ของสัญญาณและอัตราการสุ่มตัวอย่างมักจะต่ำมากและพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องจะไม่เปลี่ยนแปลงในอัตราหลายกิโลเฮิรตซ์ แต่ลักษณะการจำลองที่ซับซ้อนของระบบสรีรวิทยาของผู้ป่วยและตัวสัญญาณเอง ทำให้เราต้องกำหนดลำดับความสำคัญที่แตกต่างกันในข้อกำหนดทางเทคนิค คุณสมบัติเหล่านี้ประกอบด้วยความไวสูง ช่วงไดนามิกกว้าง และสัญญาณรบกวนต่ำเพื่อให้สามารถรับมือกับสภาพแวดล้อมการทำงานที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาได้สำเร็จ ในสภาพแวดล้อมนี้ ผิวหนังและอวัยวะภายในของผู้ป่วยจะเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่อง และแม้แต่การเคลื่อนไหวเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพื้นที่สัมผัสและแรงสัมผัสได้ นอกจากนี้ ลักษณะเหล่านี้ยังได้รับผลกระทบจากการแทรกแซงและการเปลี่ยนแปลงต่างๆ อีกด้วย ทำให้ปัญหาซับซ้อนมากขึ้น
เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการใช้งาน ช่วงไดนามิกของ MAX86171 อยู่ระหว่าง 91 ถึง 110 เดซิเบล (dB) ขึ้นอยู่กับรูปแบบการทดสอบ ความละเอียดของมันคือ 19.5 บิต สัญญาณรบกวนจากกระแสมืดน้อยกว่า 50 พิโคแอมป์ (pA) (ค่าประสิทธิผล) และค่าสัมประสิทธิ์การลดแสงโดยรอบที่ 120 เฮิรตซ์ (Hz) ดีกว่า 70 dB
ตัวอย่าง # 2: การวัดโพเทนชิออมิเตอร์ แอมแปร์มิเตอร์ โวลแทมเมทรี และอิมพีแดนซ์:
ในปัจจุบัน วิศวกรไฟฟ้าสามารถวัดแรงดันไฟฟ้า กระแส อิมพีแดนซ์ และความสัมพันธ์ระหว่างกันได้อย่างเชี่ยวชาญโดยใช้เครื่องมือมาตรฐานต่างๆ อย่างไรก็ตาม การวัดเหล่านี้มีข้อกำหนดและข้อจำกัดเฉพาะในสภาพแวดล้อมทางเคมีและชีวภาพ และนำเสนอสถานการณ์ที่แตกต่างกัน:
วิธีการโพเทนชิโอเมตริก: การใช้โพเทนชิโอมิเตอร์ในการวัดศักย์ไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรด 2 อิเล็กโทรดเพื่อกำหนดความเข้มข้นของสารในสารละลาย
แอมแปร์มิเตอร์: การใช้อุปกรณ์ตรวจวัดกระแสไฟฟ้าเพื่อตรวจจับไอออนในสารละลายตามกระแสหรือการเปลี่ยนแปลงของกระแส
โวลแทมเมทรี: การใช้กราฟแรงดันไฟฟ้าเฉพาะในช่วงเวลาหนึ่งกับอิเล็กโทรดที่ใช้งานได้ และการวัดกระแสที่สร้างโดยระบบ โดยทั่วไปจะใช้โพเทนชิโอมิเตอร์ในการวัด
ความต้านทาน: การวัดความสัมพันธ์ของกระแสแรงดันไฟฟ้าระหว่างผิวหนังและร่างกาย
ในการประเมินพารามิเตอร์เหล่านี้ สามารถใช้ WLCSP บอล AD5940 56 ที่มีขนาด 3.6 × 4.2 มิลลิเมตร (มม.) ได้ (รูปที่ 3) AFE พลังงานต่ำนี้มีฟังก์ชันและอินเทอร์เฟซที่หลากหลาย ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานแบบพกพาที่ต้องใช้เทคโนโลยีไฟฟ้าเคมีที่มีความแม่นยำสูง เช่น การวัดแอมแปร์ โวลต์แอมแปร์ หรืออิมพีแดนซ์