Utiliser des circuits d'entrée analogiques et des dispositifs de sécurité avancés pour tirer parti de l'IA au plus près du patient

L'intelligence artificielle (IA) permet déjà d'analyser de façon plus approfondie les données des essais médicaux et des tests sur les patients, améliorant ainsi les diagnostics tout en renforçant les prévisions et l'analyse des tendances. La prochaine étape consistera à délocaliser les tests médicaux et les analyses d'échantillons s'appuyant sur l'IA : au lieu d'être faits en laboratoire, ils auront lieu au cabinet du médecin, à la clinique ou même au domicile du patient. Cette approche « au plus près du patient » (PoC) permet une évaluation rapide des problèmes médicaux, une réduction des contraintes pour le patient ainsi qu'une augmentation de la fréquence des tests afin d'obtenir des données plus détaillées et d'identifier plus rapidement les tendances inquiétantes.

L'implémentation du modèle PoC basé sur l'IA requiert des circuits intégrés polyvalents et optimisés pour les applications, avec des circuits d'entrée analogiques (AFE) avancés pour interfacer avec les biocapteurs et ainsi réaliser les mesures d'acquisition de données requises. Chaque circuit intégré doit répondre aux caractéristiques uniques des mesures électrochimiques, biologiques et autres les plus sophistiquées, notamment en termes de précision, de faible consommation d'énergie et de fonctions hautement intégrées. Il est également nécessaire de mettre en place des technologies de sécurité avancées pour garantir la confidentialité des données.

Cet article examine la transition vers le modèle PoC et ses implications en matière de conception. Il présente ensuite des scénarios de mesure AFE largement utilisés ainsi que des exemples de solutions conçues par Analog Devices pour répondre aux exigences de mesure et de sécurité à proximité du patient.

Le modèle PoC, pourquoi maintenant ?

Plusieurs facteurs motivent la réalisation des tests et du traitement des échantillons au plus près du patient : la volonté de disposer de diagnostics médicaux plus nombreux et plus performants afin d'améliorer les perspectives de santé individuelles, mais aussi le besoin de données plus approfondies sur le vieillissement, les maladies et les affections en fonction des catégories de population. Les réglementations préconisent (voire imposent) de procéder à davantage de tests, qui doivent être réalisés à moindre coût et avec des délais d'attente réduits. On constate également que les soins ont tendance à être réalisés de plus en plus localement, en clinique ou à domicile, afin de limiter les désagréments et les dépenses pour les patients, ce qui nécessite des instruments simples mais performants.

Dans le même temps, l'IA évolue rapidement et permet d'utiliser ces données pour des analyses et des prévisions de plus en plus approfondies.

Tous ces facteurs combinés génèrent de la demande pour des circuits intégrés avancés, spécialement conçus pour répondre aux besoins de l'acquisition et de la gestion des données issues des tests médicaux. Ces circuits intégrés constituent l'interface directe entre les fluides des patients et les systèmes nécessaires pour capturer, enregistrer, évaluer et transmettre les données issues de divers capteurs (Figure 1).

Figure 1 : Les composants électroniques analogiques et connexes constituent l'interface essentielle entre les fluides et signes vitaux du patient et les instruments et systèmes de données PoC associés. (Source de l'image : Analog Devices)

Des circuits intégrés diversifiés et axés sur les applications pour relever les défis

Voici quelques exemples pour illustrer cette situation :

Exemple n°1 : oxymétrie de pouls et moniteurs de fréquence cardiaque :

Le niveau de saturation en oxygène du sang (SpO₂) et la fréquence cardiaque font partie des indicateurs de santé essentiels. Le premier paramètre illustre de manière spectaculaire à quel point les technologies optiques et électroniques ont bouleversé les attentes en matière de recueil de données à proximité du patient. Par le passé, la seule façon de mesurer le niveau SpO₂ était de demander une prise de sang et de l'envoyer à un laboratoire pour analyse.

Aujourd'hui, grâce à une technique électro-optique mise au point il y a quelques dizaines d'années, une LED et un photodétecteur placés au bout du doigt et des algorithmes permettent d'effectuer une mesure rapide en quelques secondes. En complément, ce même dispositif est également capable de mesurer la fréquence cardiaque.

Les avancées réalisées dans les systèmes LED plus photodétecteur offrent des performances et des capacités supplémentaires. Des circuits intégrés tels que le MAX86171 (Figure 2, en haut), un système d'acquisition de données optique ultrabasse consommation avec canaux de transmission et de réception, offrent des fonctionnalités et des caractéristiques adaptées à ces applications. Malgré leur complexité interne, seuls quelques composants discrets sont nécessaires dans une application (Figure 2, en bas).

Figure 2 : Le système d'acquisition de données optique ultrabasse consommation à plusieurs canaux MAX86171 (en haut) tire parti de son haut niveau d'intégration interne pour réduire la complexité du câblage externe et limiter le besoin de recourir à des composants de support passifs (en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Côté émetteur, le MAX86171 dispose de neuf broches de sortie de circuit d'attaque LED programmables connectées à trois circuits d'attaque LED 8 bits à fort courant. Côté récepteur, le MAX86171 est doté de deux frontaux d'intégration de charge à faible bruit avec des circuits d'annulation de la lumière ambiante (ALC), résultant en un système d'acquisition de données optique hautes performances et hautement intégré.

En plus de la valeur SpO₂ et de la fréquence cardiaque, le circuit intégré peut évaluer la variabilité de la fréquence cardiaque, l'hydratation du corps, la saturation en oxygène des muscles et des tissus (SmO₂ et StO₂), ainsi que la consommation maximum d'oxygène (VO₂ max).

Il convient de noter que les facteurs de mérite et les priorités ne sont pas les mêmes pour les applications médicales et les applications non médicales. Comme les niveaux de lumière sont généralement relativement faibles, le bruit de fond absolu des frontaux optiques constitue le paramètre critique plutôt que le rapport signal/bruit (SNR).

Bien que la bande passante et les fréquences d'échantillonnage soient très faibles et que les paramètres d'intérêt ne varient pas à des fréquences de plusieurs kilohertz dans le monde biologique, la nature analogique complexe des patients et des signaux impose différents ensembles de priorités dans les spécifications. Ces priorités incluent une haute sensibilité, une large plage dynamique et un faible bruit pour réussir dans un environnement opérationnel changeant où la peau et les organes internes du patient évoluent continuellement et modifient la zone de contact et la force, même légèrement. Cela se produit également en présence de divers types de bruits parasites et de variations, compliquant encore davantage les choses.

Pour répondre aux exigences des applications, le MAX86171 présente une plage dynamique comprise entre 91 et 110 dB selon la configuration de test, une résolution de 19,5 bits, un bruit de courant d'obscurité inférieur à 50 pA (RMS) et un facteur de réjection de la lumière ambiante supérieur à 70 dB à 120 Hz.

Exemple n°2 : mesures de potentiométrie, d'ampérométrie, de voltampérométrie et d'impédance :

Les ingénieurs électriciens maîtrisent la mesure de la tension, du courant et de l'impédance, ainsi que leurs relations, au moyen d'une grande variété d'instruments standard. Cependant, ces mesures obéissent à des exigences et à des contraintes uniques dans un environnement chimique et biologique, et présentent des scénarios distincts :

• Potentiométrie : utilisation d'un potentiostat pour mesurer le potentiel électrique entre deux électrodes afin de déterminer la concentration d'une substance dans une solution
• Ampérométrie : utilisation d'une configuration ampérométrique pour détecter les ions dans une solution en fonction du courant électrique ou des variations du courant électrique
• Voltampérométrie : un profil de tension spécifique est appliqué à une électrode de travail en fonction du temps, et le courant produit par le système est mesuré, généralement via un potentiostat
• Impédance : mesure de la relation entre la tension et le courant de la peau et du corps

Pour évaluer ces paramètres, l'AD5940 offre une large gamme de fonctionnalités et d'options d'interface dans un boîtier WLCSP à 56 billes de 3,6 mm × 4,2 mm (Figure 3). Ce circuit AFE basse consommation est conçu pour les applications portables qui requièrent des techniques électrochimiques de haute précision telles que des mesures ampérométriques, voltampérométriques ou d'impédance.

Figure 3 : L'AFE AD5940 intègre les fonctions sophistiquées requises pour des mesures ampérométriques, voltampérométriques ou d'impédance précises et basse consommation. (Source de l'image : Analog Devices)

L'AD5940 a deux boucles d'excitation et un canal de mesure commun. La première boucle se compose d'une chaîne à double sortie, d'un convertisseur numérique-analogique (CNA) et d'un potentiostat à faible bruit, et elle peut générer des signaux de 0 Hz à 200 Hz.

Une sortie du CNA contrôle l'entrée non inverseuse du potentiostat, tandis que l'autre contrôle l'entrée non inverseuse de l'amplificateur d'adaptation d'impédance (TIA). La deuxième boucle est constituée d'un CNA 12 bits capable de générer des signaux d'excitation jusqu'à 200 kHz.

Du côté de l'entrée, on trouve un convertisseur analogique-numérique (CAN) de 16 bits, 800 Kéch./s avec des tampons d'entrée, un filtre antirepliement et un amplificateur à gain programmable (PGA). Un multiplexeur sélectionne les canaux d'entrée pour les entrées de courant et de tension externes, et les canaux internes pour les tensions d'alimentation, la température de la puce et les tensions de référence.

Les entrées de courant incluent deux amplificateurs d'adaptation d'impédance avec gain programmable et résistances de charge pour mesurer différents types de capteurs. Le premier amplificateur d'adaptation d'impédance mesure les signaux à faible bande passante, tandis que le deuxième mesure les signaux à large bande passante jusqu'à 200 kHz.

Les utilisateurs de circuits intégrés offrant ce niveau d'intégration et de polyvalence bénéficient de kits d'évaluation qui vont au-delà du circuit intégré en tant que tel. Pour l'AD5940, la carte d'extension d'évaluation de plateforme Arduino de capteur d'électrocardiographie (ECG/EKG) EVAL-AD5940BIOZ fournit un environnement de développement familier (Figure 4).

Figure 4 : La carte d'extension d'évaluation de plateforme Arduino de capteur d'électrocardiographie (ECG/EKG) EVAL-AD5940BIOZ simplifie l'utilisation et l'évaluation de l'AD5940 lors des mesures subtiles de bas niveau pour lesquelles il a été conçu. (Source de l'image : Analog Devices)

Chaque carte d'évaluation AD5940 cible un objectif de mesure d'une application finale spécifique. La carte de type Arduino configure l'AD5940 et communique avec lui par l'intermédiaire du périphérique SPI. Un outil d'interface utilisateur graphique (GUI) pour les mesures avec des capacités de création de graphiques et de capture de données est disponible pour une évaluation initiale. De nombreux projets d'exemple écrits en Embedded C incluent des instructions sur la manière de définir l'environnement de programmation et d'exécuter les exemples.

Exemple n°3 : authentification et sécurité des données :

Le stockage de données sur de multiples sites non sécurisés et leur transmission via des liaisons de communication en champ proche (NFC) soulèvent de graves problèmes en matière de sécurité et d'authenticité des données ou de prévention contre le piratage, mais aussi des risques en ce qui concerne la réutilisation, l'utilisation abusive et la contrefaçon d'échantillons ou de cartouches.

Pour répondre à ces préoccupations, l'authentificateur sécurisé MAX66250 (Figure 5, en haut) fournit des contre-mesures robustes, toutes les données stockées étant protégées par cryptographie pour éviter leur découverte. Il est compatible avec les systèmes embarqués NFC (Figure 5, en bas), où le risque d'accès non autorisé est plus élevé.

Figure 5 : L'authentificateur sécurisé MAX66250 (en haut) offre plusieurs niveaux de support d'authentification et de sécurité des données ; il intègre également une interface NFC (en bas) pour le transfert de données sans fil. (Source de l'image : Analog Devices)

L'authentificateur sécurisé combine l'authentification défi-réponse SHA-3 conforme FIPS 202 avec une EEPROM sécurisée. Le dispositif fournit un ensemble d'outils cryptographiques dérivés de blocs intégrés, y compris un moteur SHA-3, 256 bits de mémoire EEPROM utilisateur sécurisée, un compteur à décrémentation uniquement et un numéro d'identification ROM (ID ROM) unique de 64 bits. L'ID ROM unique est un paramètre d'entrée fondamental pour les opérations cryptographiques et sert de numéro de série électronique dans l'application. Le dispositif communique via une interface RF conforme à ISO/CEI 15693.

Exemple n°4 : contrôle de mouvement/moteur :

De nombreux dispositifs et stations PoC requièrent un mouvement contrôlé avec soin pour transporter une bandelette de test ou un tube à essai entre les stations, combiner et transférer les réactifs, ou ajouter ou libérer des quantités précises de liquides et effectuer le pipetage. Ces applications nécessitent souvent un micro-pas précis et un arrêt, un démarrage et une génération de rampe en douceur afin de fournir un mouvement haute résolution et sans vibration pour un mouvement rapide, précis, fiable, silencieux, reproductible et écoénergétique.

Le circuit intégré de contrôleur-variateur de moteur pas-à-pas à un/deux canaux TMC5072-LA-T de Trinamic (Figure 6, en haut) avec interfaces de communication série convient à ces applications. Lorsqu'il est câblé pour un fonctionnement en parallèle, il offre une capacité d'entraînement de courant de bobine de 1,1/1,5 A crête par moteur et de 2,2/3 A crête pour un moteur.

Pour un fonctionnement de base, le kit d'évaluation auxiliaire TMC5072-BOB (Figure 6, en bas) intègre un TMC5072 et se connecte à un Arduino Mega à l'aide d'un émetteur-récepteur universel asynchrone (UART) à un fil. Une interface utilisateur graphique (GUI) fournit des outils permettant de définir facilement les paramètres, de visualiser les données en temps réel et de développer et déboguer des applications autonomes.

Figure 6 : Le circuit intégré de contrôleur-variateur de moteur pas-à-pas à un/deux canaux TMC5072-LA-T (en haut) offre des performances de précision et un fonctionnement fluide ; il est soutenu par le kit d'évaluation TMC5072-BOB (en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Le TMC5072 combine des générateurs de rampe flexibles pour le positionnement cible automatique et offre un fonctionnement silencieux, un rendement maximum et un couple moteur élevé. Le circuit intégré de 7 mm × 7 mm offre d'autres fonctionnalités avancées :

• StealthChop pour un fonctionnement extrêmement silencieux et un mouvement fluide
• Dispositif de découpage de commande moteur hautement dynamique SpreadCycle
• DCStep pour le contrôle de la vitesse en fonction de la charge
• Détection de charge moteur sans capteur haute précision StallGuard2
• Contrôle du courant coolStep pour des économies d'énergie atteignant 75 %

Conclusion

Une combinaison d'avancées technologiques pourrait permettre de tirer parti de l'IA lors des soins médicaux réalisés près du patient. Cette approche nécessite des circuits intégrés adaptés à chaque application, tels que des circuits d'entrée analogiques avancés ainsi que des blocs de sécurité de données. Analog Devices propose un large choix de dispositifs hautes performances, basse consommation et optimisés pour ces applications, qui répondent aux exigences techniques, médicales et réglementaires.