ปัญญาประดิษฐ์ (AI) สามารถได้รับข้อมูลเชิงลึกจากการตรวจสอบผู้ป่วยและข้อมูลการทดลอง ดังนั้นจึงปรับปรุงความสามารถในการวินิจฉัยและเพิ่มความสามารถในการคาดการณ์และการวิเคราะห์แนวโน้ม ขั้นตอนต่อไปคือการโยกย้ายการทดสอบทางการแพทย์และการวิเคราะห์ตัวอย่างที่ขับเคลื่อนด้วย AI จากห้องปฏิบัติการไปยังสำนักงานแพทย์ คลินิก หรือบ้าน วิธีการตรวจสอบข้างเตียง (PoC) นี้สามารถประเมินสภาวะทางการแพทย์ได้อย่างรวดเร็ว ลดภาระของผู้ป่วย และทำให้การทดสอบบ่อยขึ้นเพื่อให้ข้อมูลที่ละเอียดยิ่งขึ้น และตรวจจับแนวโน้มที่น่ากังวลได้เร็วขึ้น
เพื่อให้บรรลุ PoC ที่ขับเคลื่อนด้วย AI จำเป็นต้องใช้ IC ที่ปรับให้เหมาะสมกับแอปพลิเคชันแบบมัลติฟังก์ชั่น พร้อมด้วยฟรอนต์เอนด์อะนาล็อกขั้นสูง (AFE) เพื่อเชื่อมต่อกับไบโอเซนเซอร์ต่างๆ เพื่อรับและการวัดข้อมูลที่จำเป็น ไอซีเหล่านี้ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดคุณลักษณะเฉพาะของการวัดไฟฟ้าเคมี ชีวภาพ และที่เกี่ยวข้องที่ซับซ้อน รวมถึงความแม่นยำ การใช้พลังงานต่ำ และฟังก์ชันการทำงานที่มีการผสานรวมในระดับสูง พวกเขายังต้องพึ่งพาเทคโนโลยีความปลอดภัยขั้นสูงเพื่อรับรองความเป็นส่วนตัวของข้อมูล
บทความนี้จะสำรวจแนวโน้มของการเปลี่ยนแปลง PoC และผลกระทบต่อการออกแบบ จากนั้นจะอธิบายสถานการณ์การวัด AFE ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย และแนะนำโซลูชันตัวอย่างของอุปกรณ์อะนาล็อกที่สามารถตอบสนองข้อกำหนดการวัด PoC และความปลอดภัยได้
ทำไมเราถึงต้องการ PoC ในตอนนี้?
ปัจจัยผลักดันในการเพิ่มการตรวจจับ PoC และการประมวลผลตัวอย่าง ได้แก่ ความต้องการการวินิจฉัยทางการแพทย์ที่ดีขึ้นเรื่อยๆ เพื่อปรับปรุงสภาวะสุขภาพของแต่ละบุคคล พัฒนาข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับความต้องการของประชากรตามอายุ โรค และการเปลี่ยนแปลงของโรค กฎระเบียบข้อบังคับสนับสนุนหรือจำเป็นต้องมีการทดสอบเพิ่มเติม ซึ่งจะต้องดำเนินการด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่า และลดเวลาการทดสอบและการรอคอย นอกจากนี้ มีแนวโน้มที่จะสร้าง PoC ในพื้นที่มากขึ้นในคลินิกหรือบ้านเพื่อลดการรบกวนและค่าใช้จ่ายสำหรับผู้ป่วย ซึ่งต้องใช้เครื่องมือที่เรียบง่ายแต่ทรงพลัง
ในขณะเดียวกัน AI ก็กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว ทำให้สามารถใช้ข้อมูลเหล่านี้เพื่อการวิเคราะห์และคาดการณ์เชิงลึกยิ่งขึ้น
ปัจจัยที่ครอบคลุมเหล่านี้สร้างความต้องการและโอกาสสำหรับวงจรที่ใช้ IC ที่ซับซ้อน ซึ่งจำเป็นต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมตามความต้องการเฉพาะของการได้มาและการจัดการข้อมูลการทดสอบทางการแพทย์ IC ประเภทนี้เป็นอินเทอร์เฟซส่วนหน้าที่เชื่อมต่อของเหลวในร่างกายของผู้ป่วยเข้ากับระบบ รับผิดชอบในการจับและบันทึกข้อมูลจากเซ็นเซอร์ต่างๆ ประเมิน และรายงานข้อมูลสุดท้าย (รูปที่ 1)
แผนภาพอินเทอร์เฟซหลักระหว่างสัญญาณชีพของผู้ป่วยและของเหลวในร่างกาย และเครื่องมือ PoC และระบบข้อมูลที่เกี่ยวข้อง (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)
รูปที่ 1: การจำลองและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องทำหน้าที่เป็นอินเทอร์เฟซการสื่อสารที่สำคัญระหว่างสัญญาณชีพของผู้ป่วยและของเหลวในร่างกาย รวมถึงเครื่องมือ PoC และระบบข้อมูลที่เกี่ยวข้อง (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์อะนาล็อก)
ไอซีที่หลากหลายที่เน้นการใช้งานควรจะสามารถจัดการกับความท้าทายต่างๆ ได้
เราสามารถใช้ตัวอย่างเพื่ออธิบายสถานการณ์นี้ได้อย่างชัดเจน:
ตัวอย่างที่ 1: เครื่องวัดออกซิเจนในเลือดและอัตราการเต้นของหัวใจ:
ความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือด (SpO2) และอัตราการเต้นของหัวใจเป็นตัวชี้วัดสุขภาพขั้นพื้นฐานที่สำคัญ พารามิเตอร์แรกเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดว่าเทคโนโลยีออปติคอลและอิเล็กทรอนิกส์สามารถเปลี่ยนความคาดหวังของ PoC ได้อย่างไร วิธีเดียวที่จะวัด SpO2 ได้คือให้พยาบาลเก็บตัวอย่างเลือดและส่งไปที่ห้องปฏิบัติการเพื่อทำการทดสอบ
ขณะนี้ ด้วยเทคโนโลยีออพติคัลอิเล็กทรอนิกส์ที่ได้รับการยอมรับอย่างดีเมื่อหลายทศวรรษก่อน ไฟ LED เซ็นเซอร์แสง และอัลกอริธึมบนปลายนิ้วสามารถอ่านค่า DIY ได้อย่างรวดเร็วภายในไม่กี่วินาที นอกจากนี้ โฟโตอิเล็กทริคเซนเซอร์ LED ที่จัดเรียงแบบเดียวกันก็สามารถให้ข้อมูลอัตราการเต้นของหัวใจได้เช่นกัน
ระบบเซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริคและ LED ขั้นสูงยิ่งขึ้นทำให้เรามีประสิทธิภาพและฟังก์ชันการทำงานมากขึ้น มีไอซีบางตัวที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานเหล่านี้ เช่น MAX86171 (รูปที่ 2 ด้านบน) ซึ่งเป็นระบบรับข้อมูลออปติคัลพลังงานต่ำพิเศษพร้อมช่องสัญญาณส่งและรับสัญญาณ 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 MAX86171 มีวงจรฟรอนต์เอนด์รวมการชาร์จและวงจรตัดแสงโดยรอบ (ALC) ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ ทำให้เกิดระบบการรับข้อมูลประสิทธิภาพสูงที่มีการบูรณาการแบบออปติคอล
นอกเหนือจากข้อมูล SpO2 และอัตราการเต้นของหัวใจแล้ว IC นี้ยังสามารถประเมินความแปรปรวนของอัตราการเต้นของหัวใจ ความชุ่มชื้นของร่างกาย ความอิ่มตัวของออกซิเจนในกล้ามเนื้อและเนื้อเยื่อ (SmO2 และ StO2) และการใช้ออกซิเจนสูงสุด (VO2 สูงสุด)
โปรดทราบว่าตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพและลำดับความสำคัญของการใช้งานทางการแพทย์แตกต่างจากสถานการณ์ที่ไม่ใช่ทางการแพทย์ เนื่องจากระดับแสงค่อนข้างต่ำ เสียงพื้นหลังสัมบูรณ์ของส่วนหน้าแบบออปติคัลจึงเป็นพารามิเตอร์หลัก ไม่ใช่อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน (SNR)
แม้ว่าในสาขาชีวการแพทย์ แบนด์วิดธ์ของสัญญาณและอัตราการสุ่มตัวอย่างมักจะต่ำมาก เนื่องจากพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องไม่เปลี่ยนแปลงในอัตราหลายกิโลเฮิรตซ์ คุณสมบัติแอนะล็อกที่ซับซ้อนของผู้ป่วยและสัญญาณจำเป็นต้องมีลำดับความสำคัญที่แตกต่างกันในแง่ของข้อกำหนด คุณสมบัติเหล่านี้ประกอบด้วยความไวสูง ช่วงไดนามิกกว้าง และสัญญาณรบกวนต่ำเพื่อให้สามารถรับมือกับสภาพแวดล้อมที่ไม่คงที่ที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาได้สำเร็จ ในสภาพแวดล้อมนี้ ผิวหนังและอวัยวะภายในของผู้ป่วยจะเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่อง และแม้แต่การเคลื่อนไหวเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพื้นที่สัมผัสและแรงสัมผัสได้ นอกจากนี้ ลักษณะเหล่านี้ยังได้รับผลกระทบจากการรบกวน เสียง และการเปลี่ยนแปลงต่างๆ 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
ตัวอย่างที่ 2: วิธีโพเทนชิโอเมตริก วิธีวิเคราะห์กระแส วิธีวัดโวลต์แอมแปร์ และการวัดอิมพีแดนซ์:
ในปัจจุบัน วิศวกรไฟฟ้าสามารถวัดแรงดันไฟฟ้า กระแส อิมพีแดนซ์ และความสัมพันธ์ระหว่างกันได้อย่างเชี่ยวชาญโดยใช้เครื่องมือมาตรฐานต่างๆ อย่างไรก็ตาม การวัดเหล่านี้มีข้อกำหนดและข้อจำกัดเฉพาะในสภาพแวดล้อมทางเคมีและชีวภาพ และนำเสนอสถานการณ์การวัดที่แตกต่างกัน:
วิธีการโพเทนชิโอเมตริก: การใช้โพเทนชิโอมิเตอร์ในการวัดศักย์ไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรด 2 อิเล็กโทรดเพื่อกำหนดความเข้มข้นของสารในสารละลาย
วิธีการวิเคราะห์กระแส: การใช้อุปกรณ์ตรวจวัดกระแสเพื่อตรวจจับไอออนในสารละลายตามกระแสหรือการเปลี่ยนแปลงของกระแส
วิธีโวลแทมเมตริก: ใช้กราฟแรงดันไฟฟ้าเฉพาะซึ่งแปรผันตามเวลากับอิเล็กโทรดที่ใช้งาน และวัดกระแสที่สร้างโดยระบบ โดยปกติจะใช้โพเทนชิโอมิเตอร์ในการวัด
ความต้านทาน: การวัดความสัมพันธ์ของกระแสแรงดันไฟฟ้าระหว่างผิวหนังและร่างกาย
เพื่อประเมินพารามิเตอร์เหล่านี้ AD5940 นำเสนอฟังก์ชันการทำงานและตัวเลือกอินเทอร์เฟซที่หลากหลายในแพ็คเกจ WLCSP 56 บอล ขนาด 3.6 × 4.2 มิลลิเมตร (มม.) (รูปที่ 3) AFE พลังงานต่ำนี้มีฟังก์ชันและอินเทอร์เฟซที่หลากหลาย ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานแบบพกพาที่ต้องใช้เทคนิคการวัดไฟฟ้าเคมีที่มีความแม่นยำสูง เช่น การวัดแอมแปร์ โวลต์แอมแปร์ หรืออิมพีแดนซ์