Trí tuệ nhân tạo (AI) đã có thể hiểu sâu hơn về dữ liệu khám và thử nghiệm bệnh nhân, từ đó cải thiện khả năng chẩn đoán cũng như nâng cao khả năng dự đoán và phân tích xu hướng. Bước tiếp theo là di chuyển xét nghiệm y tế và phân tích mẫu được điều khiển bằng AI từ phòng thí nghiệm đến văn phòng, phòng khám hoặc nhà của bác sĩ. Phương pháp theo dõi tại giường bệnh (PoC) này có thể nhanh chóng đánh giá tình trạng y tế, giảm bớt gánh nặng cho bệnh nhân và cho phép xét nghiệm thường xuyên hơn để cung cấp dữ liệu tinh tế hơn và phát hiện các xu hướng đáng lo ngại nhanh hơn.
Để đạt được PoC do AI điều khiển, cần phải sử dụng IC được tối ưu hóa cho ứng dụng đa chức năng với giao diện người dùng tương tự (AFE) tiên tiến để giao tiếp với nhiều cảm biến sinh học khác nhau nhằm thu thập và đo lường dữ liệu cần thiết. Các IC này phải đáp ứng các yêu cầu đặc tính riêng của các phép đo điện hóa, sinh học phức tạp và các phép đo liên quan, bao gồm độ chính xác, mức tiêu thụ điện năng thấp và chức năng tích hợp cao. Họ cũng phải dựa vào các công nghệ bảo mật tiên tiến để đảm bảo quyền riêng tư dữ liệu.
Bài viết này sẽ tìm hiểu xu hướng chuyển đổi PoC và tác động của nó đến thiết kế, sau đó mô tả các kịch bản đo AFE được sử dụng rộng rãi và giới thiệu các giải pháp mẫu về Thiết bị Analog có thể đáp ứng các yêu cầu bảo mật và đo lường PoC.
Tại sao chúng ta cần PoC bây giờ?
Các yếu tố thúc đẩy việc tăng cường phát hiện PoC và xử lý mẫu bao gồm: nhu cầu chẩn đoán y tế ngày càng tốt hơn để cải thiện tình trạng sức khỏe cá nhân; Phát triển những hiểu biết sâu sắc về nhu cầu lão hóa, bệnh tật và thay đổi bệnh tật dựa trên dân số. Các quy định pháp lý khuyến khích hoặc thậm chí yêu cầu xét nghiệm nhiều hơn, việc này phải được thực hiện với chi phí thấp hơn cũng như giảm thời gian xét nghiệm và chờ đợi. Ngoài ra, có xu hướng thiết lập nhiều PoC cục bộ hơn tại các phòng khám hoặc tại nhà để giảm thiểu sự can thiệp và chi phí cho bệnh nhân, vốn đòi hỏi những thiết bị đơn giản nhưng mạnh mẽ.
Đồng thời, AI đang phát triển nhanh chóng, cho phép sử dụng những dữ liệu này để phân tích và dự đoán sâu hơn.
Các yếu tố toàn diện này tạo ra nhu cầu và cơ hội cho các mạch dựa trên IC phức tạp cần được tối ưu hóa theo các yêu cầu riêng về thu thập và quản lý dữ liệu thử nghiệm y tế. Loại IC này là giao diện ngoại vi kết nối chất lỏng cơ thể của bệnh nhân với hệ thống, chịu trách nhiệm thu thập và ghi lại dữ liệu từ nhiều cảm biến khác nhau, đánh giá và báo cáo dữ liệu cuối cùng (Hình 1).
Sơ đồ giao diện chính giữa các dấu hiệu sinh tồn của bệnh nhân và dịch cơ thể cũng như các hệ thống dữ liệu và thiết bị PoC liên quan (bấm vào để phóng to)
Hình 1: Mô phỏng và các thiết bị điện tử liên quan đóng vai trò là giao diện liên lạc quan trọng giữa các dấu hiệu sinh tồn của bệnh nhân và dịch cơ thể, cũng như các thiết bị và hệ thống dữ liệu PoC liên quan. (Nguồn hình ảnh: Thiết bị Analog)
IC đa dạng theo định hướng ứng dụng sẽ có thể giải quyết các thách thức khác nhau
Chúng ta có thể sử dụng một số ví dụ để minh họa rõ ràng tình huống này:
Ví dụ 1: Máy đo nồng độ oxy trong mạch và nhịp tim:
Độ bão hòa oxy trong máu (SpO2) và nhịp tim là những chỉ số đo sức khỏe cơ bản quan trọng. Tham số đầu tiên cung cấp ví dụ sinh động nhất về cách công nghệ quang học và điện tử có thể thay đổi kỳ vọng của PoC. Cách duy nhất để đo SpO2 luôn là các y tá lấy mẫu máu và gửi đến phòng thí nghiệm để xét nghiệm.
Giờ đây, với công nghệ quang học điện tử đã có từ nhiều thập kỷ trước, đèn LED, cảm biến ánh sáng và thuật toán trên đầu ngón tay có thể cung cấp kết quả đọc DIY nhanh chóng trong vài giây. Ngoài ra, việc bố trí các cảm biến quang điện LED tương tự cũng có thể cung cấp thông tin về nhịp tim.
Hệ thống cảm biến quang điện và đèn LED tiên tiến hơn cung cấp cho chúng tôi hiệu suất và chức năng cao hơn. Có một số IC được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng này, chẳng hạn như MAX86171 (Hình 2, trên cùng), là hệ thống thu thập dữ liệu quang công suất cực thấp với các kênh truyền và nhận. Bất chấp sự phức tạp bên trong của nó, chỉ cần cấu hình một số thành phần riêng biệt trong các ứng dụng (Hình 2, phía dưới).
Hệ thống thu thập dữ liệu quang học đa kênh, công suất cực thấp MAX86171 từ Analog Devices (bấm vào để phóng to)
Hình 2: Hệ thống thu thập dữ liệu quang, đa kênh, công suất cực thấp MAX86171 (ảnh trên cùng) đơn giản hóa việc đi dây bên ngoài và nhu cầu về các bộ phận phụ trợ thụ động với các chức năng bên trong được tích hợp cao (ảnh dưới). (Nguồn hình ảnh: Thiết bị Analog)
Về phía máy phát, MAX86171 được trang bị 9 chân đầu ra trình điều khiển LED có thể lập trình, mỗi chân được kết nối với 3 trình điều khiển LED 8 bit dòng điện cao. Về phía bộ thu, MAX86171 được trang bị hai mạch mặt trước tích hợp điện tích và khử ánh sáng xung quanh (ALC) có độ ồn thấp, tạo thành một hệ thống thu thập dữ liệu hiệu suất cao, dựa trên quang học.
Ngoài dữ liệu SpO2 và nhịp tim, IC này còn có thể đánh giá sự thay đổi nhịp tim, lượng nước trong cơ thể, độ bão hòa oxy của cơ và mô (SmO2 và StO2) cũng như mức tiêu thụ oxy tối đa (VO2 tối đa).
Xin lưu ý rằng các chỉ số hiệu suất và mức độ ưu tiên của các ứng dụng y tế khác với các tình huống phi y tế. Do mức ánh sáng tương đối thấp, nhiễu nền tuyệt đối của giao diện quang học là một thông số quan trọng chứ không phải là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR).
Mặc dù trong lĩnh vực y sinh, băng thông tín hiệu và tốc độ lấy mẫu thường rất thấp do các thông số liên quan không thay đổi ở tốc độ vài kilohertz, nhưng các đặc tính tương tự phức tạp của bệnh nhân và tín hiệu yêu cầu thứ tự ưu tiên khác nhau về mặt thông số kỹ thuật. Những tính năng này bao gồm độ nhạy cao, dải động rộng và độ ồn thấp để đối phó thành công với các môi trường không cố định thay đổi liên tục. Trong môi trường này, da và các cơ quan nội tạng của bệnh nhân sẽ liên tục chuyển động, ngay cả những cử động nhẹ cũng có thể gây ra những thay đổi ở vùng tiếp xúc và lực tiếp xúc. Ngoài ra, những đặc điểm này còn bị ảnh hưởng bởi nhiều loại nhiễu, nhiễu và thay đổi khác nhau, khiến vấn đề trở nên phức tạp hơn.
Để đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng, dải động của MAX86171 nằm trong khoảng từ 91 đến 110 decibel (dB), tùy thuộc vào bố cục thử nghiệm. Độ phân giải của nó là 19,5 bit, nhiễu dòng tối nhỏ hơn 50 picoamp (pA) (giá trị hiệu dụng) và hệ số triệt tiêu ánh sáng xung quanh ở 120 hertz (Hz) tốt hơn 70 dB.
Ví dụ 2: Phương pháp đo điện thế, phương pháp phân tích dòng điện, phương pháp đo volt ampe và đo trở kháng:
Ngày nay, các kỹ sư điện có thể đo thành thạo điện áp, dòng điện, trở kháng và mối tương quan của chúng bằng nhiều dụng cụ tiêu chuẩn khác nhau. Tuy nhiên, các phép đo này có những yêu cầu và hạn chế riêng trong môi trường hóa học và sinh học, đồng thời đưa ra các kịch bản đo khác nhau:
Phương pháp đo điện thế: dùng điện thế đo điện thế giữa hai điện cực để xác định nồng độ các chất trong dung dịch
Phương pháp phân tích dòng điện: sử dụng thiết bị đo dòng điện để phát hiện các ion trong dung dịch dựa trên dòng điện hoặc sự thay đổi dòng điện
Phương pháp đo điện áp: Áp dụng đường cong điện áp cụ thể thay đổi theo thời gian cho điện cực làm việc và đo dòng điện do hệ thống tạo ra, thường sử dụng chiết áp để đo
Trở kháng: Đo mối quan hệ điện áp dòng điện giữa da và cơ thể
Để đánh giá các thông số này, AD5940 cung cấp nhiều chức năng và tùy chọn giao diện trong gói WLCSP 56 bóng có kích thước 3,6 × 4,2 mm (mm) (Hình 3). AFE công suất thấp này có nhiều chức năng và giao diện, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng di động yêu cầu các kỹ thuật đo điện hóa có độ chính xác cao như ampe, volt ampe hoặc đo trở kháng.