Flexible AFE-, Motorsteuerungs- und Authentifizierungs-ICs für die Entwicklung von örtlichen Diagnosesystemen

Der Trend zu medizinischen Tests am Behandlungsort (PoC, Point-of-Care) verlagert sich vom Labor in die Arztpraxis, die Klinik oder sogar nach Hause. Diese Umstellung hat das Potenzial, Diagnosen zu beschleunigen, was zu einer schnelleren Patientenversorgung, besseren Ergebnissen und niedrigeren Kosten führt.

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. Erfolgreiche Endprodukte zeichnen sich durch hohe Leistung sowie Flexibilität und Aufrüstbarkeit aus und tragen so zur Zukunftssicherheit einer Plattform bei. Sie müssen auch durch reibungslose und präzise Motorsteuerungs- und Authentifizierungs-ICs unterstützt werden, um die Genauigkeit und den Schutz der Daten zu gewährleisten.

In diesem Artikel werden die Umstellung auf PoC und ihre Auswirkungen auf die Gestaltung 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 die Zunahme der PoC-Tests und der Probenverarbeitung gehört die Nachfrage nach einer schnelleren medizinischen Diagnostik zur Verbesserung der individuellen Gesundheitsergebnisse. Gesetzliche Vorgaben fördern und fordern sogar mehr Tests. Es gibt auch einen Trend zur lokalen PoC in einer Klinik oder zu Hause, um die Störung des Patienten, die Kosten und den Zeitaufwand zu minimieren. Solche Systeme erfordern einfach zu bedienende, aber leistungsfähige Instrumente, um diese Ziele zu erreichen.

Für die Entwickler solcher Systeme sind AFEs, Motorsteuerungs- und Authentifizierungs-ICs die erste Schnittstelle zwischen den Flüssigkeits- und Vitalwerten des Patienten und den Systemen, die zur Erfassung, Aufzeichnung, Bewertung und Meldung der von den verschiedenen Sensoren gelieferten Daten erforderlich sind. Sie sind die Bausteine der elektrochemischen und optischen Diagnoselösungen, die erforderlich sind, um eine Messmaschine zur Ergänzung einer breiten Palette von Biosensoren und chemischen Verfahren bereitzustellen und gleichzeitig eine Plattform zu ermöglichen, die durch Software aufgerüstet werden kann (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: Optische Fluoreszenzdetektion (FLD):

Mit dieser Technik können Forscher die Verteilung, Lokalisierung und Interaktionen biologischer Komponenten in Zellen oder Geweben untersuchen und so detaillierte Einblicke in zelluläre Prozesse und Funktionen gewinnen, die mit der Standard-Lichtmikroskopie oft nicht sichtbar sind. Sie nutzt fluoreszenzinduzierte Fluorophore im Gegensatz zu optischer Absorption, Streuung oder Reflexion.

Ein Fluorophor absorbiert Licht einer bestimmten Wellenlänge, wodurch einige seiner Elektronen in einen höheren Energiezustand versetzt werden. Wenn die Elektronen in ihren Grundzustand zurückkehren, emittiert das Fluorophor Licht mit einer längeren, charakteristischen Emissionswellenlänge. Die emittierte Fluoreszenz wird detektiert und analysiert und ermöglicht eine kontrastreiche Visualisierung biologischer Strukturen auf molekularer Ebene.

Fortschritte bei LED-plus-Photosensor-Systemen bieten zusätzliche Leistung und Möglichkeiten. ICs wie der MAX86171 (Abbildung 2, oben), ein optisches Datenerfassungssystem mit extrem niedrigem Stromverbrauch und Sende- und Empfangskanälen, sind 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 externe Verdrahtung und den Bedarf an passiven Unterstützungskomponenten (unten) zu vereinfachen. (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 IC über zwei rauscharme, ladungsintegrierende Frontends mit Schaltungen zur Unterdrückung des Umgebungslichts (ALC), was zu einem leistungsstarken, hochintegrierten, optisch basierten Datenerfassungssystem führt.

Für Designs, die weniger optische Kanäle benötigen, ist der MAX86178ENJ+ ein AFE mit ultraniedriger Leistungsaufnahme für klinische Vitalzeichen, das bis zu sechs LEDs und vier Fotodiodeneingänge unterstützt.

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 gering sind und 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 einer sich verändernden Operationsumgebung erfolgreich zu sein, in der sich die Haut und die inneren Organe des Patienten ständig verschieben und so die Kontaktfläche und die Kraft auch nur geringfügig verändern. Sie tun dies auch in Gegenwart verschiedener Arten von Störgeräuschen und Schwankungen, 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) (RMS) 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 Kilohertz (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. Das erste TIA misst Signale mit geringer Bandbreite, während das 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). Dieses Kit trägt auch zur Zukunftssicherheit von Designs bei, wenn neue Testanforderungen hinzukommen, da die Plattform per Software aufgerüstet werden kann.

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: Datenauthentifizierung:

Daten, die an verschiedenen Orten gespeichert sind und über drahtlose NFC-Verbindungen (Near Field Communication) übertragen werden, werfen Fragen im Zusammenhang mit der Datenauthentizität und sogar 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 fortschrittlicher 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. Die Komponente bietet eine Reihe kryptographischer Basiswerkzeuge, die aus integrierten Blöcken abgeleitet werden, einschließlich asymmetrischer Hardware-Engine, echtem Zufallszahlengenerator (TRNG), 3 KB gesichertem EEPROM, ausschließlich dekrementierendem Zähler und eindeutiger 64-Bit-ROM-Kennnummer (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.

Für drahtgebundene Verbindungen bietet der sichere 1-Wire-SHA-3-Authentifikator DS28E16Q+U die gleichen kryptografischen Tools wie der MAX66250, einschließlich einer eindeutigen ROM-ID.

Beispiel 4: Bewegungs-/Motorsteuerung:

Viele PoC-Geräte und -Stationen erfordern sorgfältig kontrollierte Bewegungen, um einen Teststreifen oder ein Teströhrchen zwischen den Stationen zu transportieren, Reagenzien zu kombinieren und zu transferieren oder präzise Flüssigkeitsmengen hinzuzufügen oder freizugeben und Pipettiervorgänge durchzuführen. Diese Anwendungen erfordern häufig präzise Mikroschritte und eine sanfte Stopp-, Start- und Rampenerzeugung, um eine hochauflösende und vibrationsfreie Bewegung für eine schnelle, präzise, zuverlässige, leise, reproduzierbare und energieeffiziente Bewegung 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 Leistung 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 × 7 mm große IC bietet zusätzliche erweiterte 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 %

Natürlich ist eine einzelne Motorsteuerung nicht optimal für alle Anforderungen an ein PoC-System, egal wie viele Funktionen es hat und wie umfangreich es ist. Aus diesem Grund bietet Analog Devices eine breite Palette von motorbezogenen ICs und Unterstützungsfunktionen für PoC an, darunter:

• TMC4671-LA: integrierter Servoregler mit feldorientierter Regelung (FOC) für bürstenlose DC/Permanentmagnet-Synchronmotoren (BLDC/PMSM) und 2-Phasen-Schrittmotoren
• TMC4671-LEV-REF: Referenzdesign für TMC4671 mit BLDC-Servotreiber
• TMC5240ATJ+T: Intelligenter, leistungsstarker Schrittmotor-Controller und Treiber-IC mit seriellen Kommunikationsschnittstellen (Ein-Achsen-Version des TMC5072)
• TMC4361A-LA-T: Motorsteuerung für Schrittmotor-Treiber, mit S-förmiger Rampe für schnelle und ruckbegrenzte Bewegungsprofile
• TMC2240ATJ-T: intelligenter integrierter Schrittmotortreiber mit Schritt-/Richtungs- und SPI-Schnittstellen.

Fazit

Eine Kombination von Faktoren führt dazu, dass viele medizinische Tests und Beurteilungen in Richtung eines stärker lokalisierten, schnell reagierenden PoC-Modells gehen. Hochintegrierte, anwendungsspezifische ICs wie AFEs, Motorsteuerung und Authentifizierung ermöglichen diesen Trend. 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. Außerdem bieten sie die Flexibilität und Aufrüstbarkeit, die für eine zukunftssichere Plattform erforderlich sind.

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