Nutzen Sie moderne analoge Frontends und Sicherheitsfunktionen, um die Vorteile der KI in medizinischen Einrichtungen zu nutzen

Künstliche Intelligenz (KI) gewinnt bereits zusätzliche Erkenntnisse aus Patiententests und Studiendaten, verbessert Diagnosen und verbessert Vorhersagen und Trendanalysen. Der nächste Schritt ist die Verlagerung von KI-gesteuerten medizinischen Tests und Probenanalysen vom Labor in die Arztpraxis, die Klinik oder nach Hause. Dieser PoC-Ansatz (Point-of-Care, Behandlungsort) ermöglicht eine schnelle Beurteilung des Gesundheitszustands, eine geringere Belastung der Patienten und häufigere Tests, um detailliertere Daten zu liefern und besorgniserregende Trends früher zu erkennen.

Die Implementierung von PoC beginnt mit vielseitigen, anwendungsoptimierten ICs mit fortschrittlichen analogen Frontends (AFEs), die eine Schnittstelle zu verschiedenen Biosensoren für die erforderlichen Datenerfassungsmessungen bilden. Jeder IC muss die einzigartigen Eigenschaften anspruchsvoller elektrochemischer, biologischer und verwandter Messungen erfüllen, die Genauigkeit, geringen Stromverbrauch und hoch integrierte Funktionen umfassen. Sie müssen auch durch moderne Sicherheitstechnologie unterstützt werden, um den Datenschutz zu gewährleisten.

In diesem Artikel werden die Umstellung auf PoC und ihre Auswirkungen auf die Implementierung untersucht. Anschließend werden weit verbreitete AFE-Messszenarien beschrieben und flexible Lösungen von Analog Devices vorgestellt, die die Anforderungen an PoC-Messungen, Motorsteuerung und Authentifizierung erfüllen.

Warum jetzt für PoC?

Zu den treibenden Kräften für eine Zunahme der PoC-Tests und der Probenverarbeitung gehören die Nachfrage nach mehr und besseren medizinischen Diagnosen zur Verbesserung der individuellen Gesundheitschancen und die Notwendigkeit, bevölkerungsbezogene Erkenntnisse über Alterung, Krankheit und Leiden zu gewinnen. Gesetzliche Vorgaben fördern und fordern sogar mehr Tests, und diese müssen zu geringeren Kosten und mit kürzeren Test- und Wartezeiten durchgeführt werden. Es gibt auch einen Trend zu mehr lokalen PoC in einer Klinik oder zu Hause, um die Störung des Patienten und die Kosten zu minimieren, was einfache, aber leistungsstarke Instrumente erfordert.

Gleichzeitig entwickelt sich die künstliche Intelligenz rasch weiter, so dass diese Daten für tiefere Analysen und Prognosen genutzt werden können.

Diese kombinierten Faktoren schaffen Nachfrage und Möglichkeiten für hochentwickelte IC-basierte Schaltungen, die für die besonderen Anforderungen der Datenerfassung und -verwaltung bei medizinischen Tests optimiert sind. Solche ICs sind die Schnittstelle zwischen den Patientenflüssigkeiten und den Systemen, die zur Erfassung, Aufzeichnung, Bewertung und Meldung der von den verschiedenen Sensoren gelieferten Daten erforderlich sind (Abbildung 1).

Abbildung 1: Analoge und verwandte Elektronik bildet die entscheidende Schnittstelle zwischen den Vitalzeichen und Flüssigkeitswerten eines Patienten und den zugehörigen PoC-Instrumenten und Datensystemen. (Bildquelle: Analog Devices)

Vielfältige anwendungsorientierte ICs bewältigen Herausforderungen

Einige Beispiele verdeutlichen diese Situation:

Beispiel 1: Pulsoximetrie und Herzfrequenzmonitore:

Die Sauerstoffsättigung des Blutes (SpO₂) und die Herzfrequenz gehören zu den grundlegenden kritischen Gesundheitsmessungen. Der erste Parameter ist das dramatischste Beispiel dafür, wie Optik und Elektronik die PoC-Erwartungen verändert haben. In der Vergangenheit bestand die einzige Möglichkeit, den SpO₂-Wert zu messen, darin, dass eine Krankenschwester eine Blutprobe entnahm und sie zur Untersuchung an ein Labor schickte.

Mit der vor einigen Jahrzehnten perfektionierten elektro-optischen Technik ermöglichen eine LED, ein Fotosensor und Algorithmen in Sekundenschnelle eine schnelle selbstdurchführbare Messung. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die gleiche LED-Fotosensor-Anordnung Informationen über die Herzfrequenz liefert.

Fortschritte bei LED-plus-Photosensor-Systemen bieten zusätzliche Performance und Möglichkeiten. ICs wie der MAX86171 (Abbildung 2, oben), ein optisches Datenerfassungssystem mit extrem niedrigem Stromverbrauch und Sende- und Empfangskanälen, sind aufgrund ihrer Funktionalität und Spezifikationen auf diese Anwendungen zugeschnitten. Trotz ihrer internen Komplexität werden für eine Anwendung nur wenige diskrete Komponenten benötigt (Abbildung 2, unten).

Abbildung 2: Das mehrkanalige optische Datenerfassungssystem MAX86171 mit extrem niedrigem Stromverbrauch (oben) nutzt seinen hohen Grad an interner Integration, um die Komplexität der externen Verdrahtung und den Bedarf an passiven Unterstützungskomponenten (unten) zu reduzieren. (Bildquelle: Analog Devices)

Auf der Senderseite verfügt der MAX86171 über neun programmierbare LED-Treiber-Ausgangspins, die mit drei 8-Bit-Hochstrom-LED-Treibern verbunden sind. Auf der Empfängerseite verfügt der MAX86171 über zwei rauscharme, ladungsintegrierende Frontends mit Schaltungen zur Unterdrückung von Umgebungslicht (ALC), was zu einem leistungsstarken, hochintegrierten, optisch basierten Datenerfassungssystem führt.

Zusätzlich zu den SpO₂- und Herzfrequenzdaten kann der IC die Herzfrequenzvariabilität, die Körperhydration, die Sauerstoffsättigung von Muskeln und Gewebe (SmO₂ und StO₂) sowie den maximalen Sauerstoffverbrauch (VO₂ max.) messen.

Es ist zu beachten, dass sich die Werte und Prioritäten für medizinische Anwendungen von denen für nicht-medizinische Anwendungen wie optische Datenkanäle unterscheiden. Da die Lichtpegel in der Regel relativ niedrig sind, ist das absolute Grundrauschen der optischen Frontends der kritische Parameter und nicht das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).

Während die Bandbreite und die Abtastraten sehr niedrig sind, da die interessierenden Parameter in der biologischen Welt nicht mit Multi-Kilohertz-Raten variieren, erfordert die komplexe analoge Natur der Patienten und der Signale andere Prioritäten bei den Spezifikationen. Dazu gehören eine hohe Empfindlichkeit, ein breiter Dynamikbereich und ein geringes Rauschen, um in der sich verändernden, nicht fixierten Umgebung erfolgreich zu sein, in der sich die Haut und die inneren Organe des Patienten ständig bewegen, um die Kontaktfläche und die Kraft zu verändern, und sei es nur geringfügig. Sie tun dies auch in Anwesenheit von verschiedenen Arten von störendem „Rauschen“ und Variationen, was die Sache noch komplizierter macht.

Um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen, verfügt der MAX86171 über einen Dynamikbereich zwischen 91 und 110 Dezibel (dB) je nach Testanordnung, eine Auflösung von 19,5 Bit, ein Dunkelstromrauschen von weniger als 50 Picoampere (pA) (effektiv) und eine Fremdlichtunterdrückung von besser als 70 dB bei 120 Hertz (Hz).

Beispiel 2: Potentiometrie, Amperometrie, Voltammetrie und Impedanzmessungen:

Elektroingenieure sind mit der Messung von Spannung, Strom und Impedanz sowie deren Beziehungen vertraut und können aus einer Vielzahl von Standardinstrumenten wählen. Diese Messungen haben jedoch einzigartige Anforderungen und Einschränkungen in einem chemischen und biologischen Umfeld und stellen unterschiedliche Szenarien dar:

• Potentiometrie: Verwendung eines Potentiostaten zur Messung des elektrischen Potenzials zwischen zwei Elektroden zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz in einer Lösung
• Amperometrie: Verwendung einer amperometrischen Anordnung zum Nachweis von Ionen in einer Lösung auf der Grundlage des elektrischen Stroms oder von Änderungen des elektrischen Stroms
• Voltammetrie: Anlegen eines bestimmten Spannungsprofils an eine Arbeitselektrode in Abhängigkeit von der Zeit und Messung des vom System erzeugten Stroms, in der Regel mit einem Potentiostat
• Impedanz: Messung des Spannungs- und Stromverhältnisses von Haut und Körper

Um diese Parameter zu bewerten, bietet der AD5940 eine breite Palette an Funktionen und Schnittstellenoptionen in einem WLCSP mit 56 Kontakten und den Abmessungen 3,6 × 4,2 Millimeter (Abbildung 3). Dieses AFE mit geringem Stromverbrauch ist für tragbare Anwendungen konzipiert, die hochpräzise elektrochemische Verfahren wie amperometrische, voltammetrische oder Impedanzmessungen erfordern.

Abbildung 3: Das AFE AD5940 verfügt über die hochentwickelten Funktionen, die für präzise amperometrische, voltammetrische oder Impedanzmessungen mit geringem Stromverbrauch erforderlich sind. (Bildquelle: Analog Devices)

Der AD5940 hat zwei Erregungsschleifen und einen gemeinsamen Messkanal. Die erste Schleife besteht aus einem Strang mit zwei Ausgängen, einem Digital/Analog-Wandler (DAC) und einem rauscharmen Potentiostat und kann Signale von 0 Hz bis 200 Hz erzeugen.

Ein Ausgang des DAC steuert den nichtinvertierenden Eingang des Potentiostaten und der andere den nichtinvertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers (TIA). Die zweite Schleife besteht aus einem 12-Bit-DAC, der Erregungssignale bis zu 200 kHz erzeugen kann.

Auf der Eingangsseite befindet sich ein 16-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC) für 800 Kilosample pro Sekunde (kS/s), Eingangspuffern, einem Antialias-Filter und einem programmierbaren Verstärker (PGA). Ein Multiplexer wählt Eingangskanäle für externe Strom- und Spannungseingänge und interne Kanäle für Versorgungsspannungen, Chiptemperatur und Referenzspannungen aus.

Die Stromeingänge umfassen zwei TIAs mit programmierbarer Verstärkung und Lastwiderständen zur Messung verschiedener Sensortypen. Der erste TIA misst Signale mit geringer Bandbreite, während der zweite TIA Signale mit hoher Bandbreite bis zu 200 kHz misst.

Benutzer von ICs, die diesen Grad an Integration und Vielseitigkeit bieten, profitieren von Evaluierungskits, die über den IC hinausgehen. Für den AD5940 bietet die Evaluierungserweiterungskarte EVAL-AD5940BIOZ für die Arduino-Plattform zur Elektrokardiographie (EKG) eine vertraute Entwicklungsumgebung (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Evaluierungserweiterungskarte EVAL-AD5940BIOZ für die Arduino-Plattform für Elektrokardiographie-Sensoren (EKG/EKG) vereinfacht die Verwendung und Evaluierung des AD5490 bei der Durchführung von subtilen Messungen, für die er ausgelegt ist. (Bildquelle: Analog Devices)

Jedes AD5940-Evaluierungsboard zielt auf ein bestimmtes Messziel in der Endanwendung ab. Das Arduino-ähnliche Board konfiguriert und kommuniziert mit dem AD5940 über die SPI-Peripherie. Eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) für Messungen mit grafischen Darstellungs- und Datenerfassungsfunktionen ist für eine erste Evaluierung verfügbar. Viele Beispielprojekte, die in Embedded C geschrieben sind, enthalten Anleitungen zum Einrichten der Programmierumgebung und zum Ausführen der Beispiele.

Beispiel 3: Datensicherheit und Authentifizierung:

Daten, die an unterschiedlichen und ungesicherten Orten gespeichert sind und über drahtlose NFC-Verbindungen (Nahfeldkommunikation) übertragen werden, werfen ernste Fragen im Zusammenhang mit der Datensicherheit, der Authentizität, dem Schutz vor Hackerangriffen und dem Risiko der Wiederverwendung, des Missbrauchs und der Fälschung von Proben oder Kassetten auf.

Um diese Bedenken auszuräumen, bietet der sichere Authentifikator MAX66250 (Abbildung 5, oben) robuste Gegenmaßnahmen, wobei alle gespeicherten Daten kryptografisch vor Entdeckung geschützt sind. Er ist kompatibel mit NFC-fähigen eingebetteten Systemen (Abbildung 5, unten), bei denen das Risiko eines unbefugten Zugriffs höher ist.

Abbildung 5: Der sichere Authentifikator MAX66250 (oben) bietet mehrere Ebenen moderner Datensicherheit und Authentifizierungsunterstützung; er verfügt außerdem über eine NFC-Schnittstelle (unten) für die drahtlose Datenübertragung. (Bildquelle: Analog Devices)

Der sichere Authentifikator kombiniert die FIPS-202-konforme SHA-3-Challenge-Response-Authentifizierung (SHA: Secure Hash Algorithm) mit einem gesicherten EEPROM. Der Baustein bietet eine Reihe von Kernfunktionen für die Kryptografie, die aus integrierten Blöcken abgeleitet sind, darunter eine SHA-3-Engine, 256 Bit gesicherter Benutzer-EEPROM, einen Zähler, der nur dekrementieren kann, und eine eindeutige 64-Bit-ROM-Identifikationsnummer (ROM-ID). Die einzigartige ROM-ID dient als grundlegender Eingangsparameter für kryptographische Operationen und als eine elektronische Seriennummer innerhalb der Anwendung. Die Komponente kommuniziert über eine HF-Schnittstelle, die der ISO/IEC 15693 entspricht.

Beispiel 4: Bewegungs-/Motorsteuerung:

Viele PoC-Geräte und -Stationen erfordern eine sorgfältig kontrollierte Bewegung, um einen Teststreifen oder ein Teströhrchen zwischen den Stationen zu transportieren, Reagenzien zu kombinieren und zu transferieren oder präzise Flüssigkeitsmengen hinzuzufügen oder freizugeben und Pipettierungen vorzunehmen. Diese Anwendungen erfordern häufig präzise Mikroschritte und sanfte Stopp-, Start- und Rampenbewegungen, um eine hochauflösende und vibrationsfreie Bewegung für schnelle, präzise, zuverlässige, leise, reproduzierbare und energieeffiziente Bewegungen zu ermöglichen.

Der ein- oder zweikanalige Schrittmotor-Controller und Treiber-IC TMC5072-LA-T von Trinamic (Abbildung 6, oben) mit seriellen Kommunikationsschnittstellen ist für diese Anwendungen geeignet. Bei Parallelbetrieb bietet er eine Spulenstrom-Antriebsleistung von 1,1/1,5 Ampere (A) Spitze pro Motor und 2,2/3 A Spitze für einen Motor.

Für den grundlegenden Betrieb enthält das zugehörige Evaluierungskit TMC5072-BOB (Abbildung 6, unten) einen integrierten TMC5072 und wird über einen universellen asynchronen Ein-Draht-Empfänger/Sender (UART) an einen Arduino Mega angeschlossen. Eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) bietet Werkzeuge zur einfachen Einstellung von Parametern, zur Visualisierung von Daten in Echtzeit und zur Entwicklung und Fehlersuche bei eigenständigen Anwendungen.

Abbildung 6: Der Ein-/Zweikanal-Schrittmotor-Controller und -Treiber-IC TMC5072-LA-T (oben) bietet eine präzise Performance und einen reibungslosen Betrieb; er wird durch das Evaluierungskit TMC5072-BOB (unten) unterstützt. (Bildquelle: Analog Devices)

Der TMC5072 kombiniert flexible Rampengeneratoren für die automatische Zielpositionierung und bietet einen geräuschlosen Betrieb, maximale Effizienz und ein hohes Motordrehmoment. Der 7 mm × 7 mm große IC bietet weitere moderne Funktionen:

• StealthChop für extrem leisen Betrieb und gleichmäßige Bewegung
• Hochdynamischer SpreadCycle-Chopper für die Motorsteuerung
• DCStep für lastabhängige Drehzahlregelung
• Hochpräzise sensorlose Motorlasterkennung StallGuard2
• CoolStep-Stromregelung für Energieeinsparungen von bis zu 75 %

Fazit

Eine Kombination aus technologischen Fortschritten hat das Potenzial, die Vorteile der KI für lokale medizinische PoC zu nutzen. Dies erfordert integrierte, anwendungsspezifische ICs wie moderne AFEs und Datensicherheitsblöcke. Analog Devices bietet eine große Auswahl an leistungsstarken Komponenten mit geringem Stromverbrauch, die für diese Anwendungen optimiert sind und die technischen und regulatorischen Anforderungen erfüllen.