Utiliser des circuits intégrés AFE, de contrôle de mouvement et d'authentification flexibles pour concevoir des systèmes de diagnostics sur le lieu d'intervention

La tendance en faveur de tests médicaux sur le lieu d'intervention (PoC) se délocalise du laboratoire vers le cabinet du médecin, la clinique ou même le domicile du patient. Cette migration a le potentiel d'accélérer les diagnostics, ce qui se traduit par une prise en charge plus rapide des patients, une amélioration des résultats et une réduction des coûts.

L'implémentation du modèle PoC nécessite des circuits intégrés polyvalents et optimisés pour les applications, avec des circuits d'entrée analogiques (AFE) avancés pour interfacer avec divers biocapteurs pour les mesures d'acquisition de données requises. Chaque circuit intégré doit répondre aux caractéristiques uniques des mesures électrochimiques, biologiques et connexes sophistiquées, en termes d'exactitude, de faible consommation d'énergie et de fonctions hautement intégrées. Les produits finaux aboutis se caractérisent par de hautes performances, ainsi que par une flexibilité et une évolutivité qui contribuent à la pérennité d'une plateforme. Ils doivent également être pris en charge par des circuits intégrés de contrôle de mouvement et d'authentification fluides et précis pour garantir l'exactitude et 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 les solutions flexibles d'Analog Devices permettant de répondre aux exigences de mesure PoC, de contrôle de mouvement et d'authentification.

Le modèle PoC, pourquoi maintenant ?

Les facteurs qui stimulent l'augmentation des tests et du traitement des échantillons sur le lieu d'intervention incluent la demande de diagnostics médicaux plus rapides afin d'améliorer les résultats de santé individuels. Les mandats réglementaires encouragent et même exigent davantage de tests. On observe également une tendance à la localisation du lieu d'intervention dans une clinique ou à domicile afin de minimiser les perturbations, les dépenses et le temps consacrés aux patients. De tels systèmes requièrent des instruments simples à utiliser mais puissants pour atteindre ces objectifs.

Pour les concepteurs de tels systèmes, les circuits intégrés d'entrée analogiques, de contrôle de mouvement et d'authentification constituent l'interface directe entre les fluides et les signes vitaux du patient et les systèmes nécessaires pour capturer, enregistrer, évaluer et fournir les données résultantes provenant de divers capteurs. Ils constituent les blocs fonctionnels des solutions de diagnostics électrochimiques et optiques nécessaires pour fournir un moteur de mesure qui complète une large gamme de biocapteurs et de produits chimiques, tout en offrant une plateforme pouvant être mise à niveau à l'aide d'un logiciel (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 : détection par fluorescence (FLD) optique :

Cette technique permet aux chercheurs d'étudier la distribution, la localisation et les interactions des composants biologiques au sein des cellules ou des tissus, fournissant des informations détaillées sur les processus et les fonctions cellulaires qui sont souvent invisibles avec la microscopie optique standard. Elle utilise des fluorophores induits par fluorescence, par opposition à l'absorption, à la diffusion ou à la réflexion optique.

Un fluorophore absorbe la lumière à une longueur d'onde particulière, excitant certains de ses électrons à un état d'énergie plus élevé. Lorsque les électrons reviennent à leur état fondamental, le fluorophore émet de la lumière à une longueur d'onde d'émission caractéristique plus longue. Cette fluorescence émise est détectée et analysée, offrant une visualisation au niveau moléculaire hautement contrastée des structures biologiques.

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, sont adaptés 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 simplifier le câblage externe et le besoin de 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 circuit intégré 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.

Pour les conceptions exigeant moins de canaux optiques, le MAX86178ENJ+ est un circuit AFE de signes vitaux de qualité clinique ultrabasse consommation, prenant en charge jusqu'à six LED et quatre entrées de photodiodes.

Il convient de noter que les facteurs de mérite et les priorités pour les applications médicales diffèrent de ceux des situations non médicales telles que les canaux de données optiques. 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 applicatives, 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. 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). Ce kit permet également de pérenniser les conceptions lorsque de nouvelles exigences de test sont ajoutées, car la plateforme peut être mise à niveau via un logiciel.

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'AD5490 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'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 des données :

Les données stockées en divers endroits et transmises via des liaisons de communication en champ proche (NFC) sans fil soulèvent des problèmes liés à l'authenticité des données et même au risque de réutilisation, d'utilisation abusive et de contrefaçon d'échantillons ou de cartouches.

Pour répondre à ces préoccupations, l'authentificateur sécurisé MAX66250 (Figure 5, en haut) fournit des contre-mesures robustes, avec toutes les données stockées protégées cryptographiquement contre la 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.

Pour les liaisons filaires, l'authentificateur SHA-3 sécurisé 1-Wire DS28E16Q+U fournit les mêmes outils cryptographiques que le MAX66250, y compris un ID ROM unique.

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 des fonctionnalités avancées supplémentaires :

• 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 jusqu'à 75 %

Bien évidemment, un seul dispositif de contrôle de mouvement n'est pas optimal pour tous les besoins d'un système PoC, même s'il est riche en fonctionnalités. Pour cette raison, Analog Devices propose une vaste sélection de circuits intégrés liés aux moteurs et de fonctions de support pour les systèmes PoC, notamment :

• TMC4671-LA : servocontrôleur intégré fournissant un contrôle à flux orienté (FOC) pour les moteurs synchrones à aimants permanents/CC sans balais (PMSM/BLDC) et les moteurs pas-à-pas à deux phases
• TMC4671-LEV-REF : conception de référence pour le TMC4671 avec servovariateur BLDC
• TMC5240ATJ+T : circuit intégré de contrôleur-variateur de moteur pas-à-pas intelligent et hautes performances avec interfaces de communication série (version à un axe du TMC5072)
• TMC4361A-LA-T : contrôleur de mouvement pour variateurs de moteurs pas-à-pas, offrant une rampe en S dans les applications à profil de mouvement rapide et à à-coups limités
• TMC2240ATJ-T : variateur moteur pas-à-pas intégré intelligent avec interfaces SPI et pas/direction.

Conclusion

Un ensemble de facteurs fait que de nombreux tests et évaluations médicaux s'orientent vers un modèle PoC plus localisé et à réponse rapide. Les circuits hautement intégrés et axés sur les applications, tels que les AFE, le contrôle de mouvement et l'authentification, favorisent cette tendance. Analog Devices propose un large choix de dispositifs hautes performances, basse consommation et optimisés pour ces applications, qui répondent aux exigences techniques et réglementaires. Ils offrent également la flexibilité et l'évolutivité requises pour une plateforme à l'épreuve du temps.

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