Utilizzare front-end analogici avanzati e sicurezza per portare i vantaggi dell'IA negli ambulatori medici

L'intelligenza artificiale (IA) è già applicata all'estrazione delle informazioni dagli esami e dai dati dei pazienti, allo scopo di migliorare le diagnosi, le previsioni e l'analisi delle tendenze. Il passo successivo sarà la migrazione dei test medici e delle analisi dei campioni guidati dall'IA dal laboratorio all'ambulatorio medico o al domicilio del paziente. Questo approccio Point of Care (PoC) offre la rapida valutazione delle condizioni mediche, riduce l'onere per il paziente di test più frequenti per fornire dati più precisi e identifica più rapidamente tendenze preoccupanti.

Per un approccio PoC guidato dall'IA sono necessari CI versatili e ottimizzati per le applicazioni, dotati di front-end analogici (AFE) avanzati per interfacciarsi con vari biosensori per la necessaria acquisizione dei dati. Questi CI devono rispondere alle caratteristiche uniche di sofisticate misurazioni elettrochimiche, biologiche e simili, basandosi su precisione, basso consumo e funzioni altamente integrate. Inoltre, devono inoltre essere supportati da una tecnologia di sicurezza avanzata per garantire la privacy dei dati.

Questo articolo esamina questa trasformazione e le sue implicazioni progettuali. Descrive quindi i comuni scenari di misurazione AFE e presenta le soluzioni di esempio di Analog Devices che soddisfano i requisiti di misurazione, controllo del movimento e autenticazione presso un PoC.

Perché l'ambulatorio medico?

Le forze trainanti alla base del crescente interesse verso esami e analisi dei campioni presso i PoC includono la richiesta di una maggiore e migliore diagnostica medica per migliorare le terapie dei pazienti e la necessità di avere una chiara visione dell'invecchiamento, delle malattie e delle patologie di una determinata popolazione. I mandati normativi incoraggiano e addirittura richiedono un maggior numero di esami, che devono essere eseguiti a costi inferiori e con tempi di attesa ridotti. Si è anche notata una tendenza a trasferire questa necessità a cliniche o all'ambito domiciliare, per ridurre al minimo i disagi per il paziente, le spese e il tempo e questo richiede l'uso di strumentazione potente.

Al tempo stesso, l'IA si sta evolvendo rapidamente per consentire l'utilizzo di questi dati per analisi e previsioni più approfondite.

Questi fattori combinati creano una domanda e un'opportunità per l'uso di circuiteria sofisticata basata su CI ottimizzati per le esigenze uniche di acquisizione e gestione dei dati dei test medici. Questi CI rappresentano l'interfaccia di prima linea tra i fluidi del paziente e i sistemi necessari per acquisire, registrare, valutare e riportare i dati risultanti dai vari sensori (Figura 1).

Figura 1: L'elettronica analogica e quella correlata forniscono l'interfaccia critica tra i parametri vitali e i fluidi di un paziente e la strumentazione e i sistemi di dati PoC associati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Diversi CI incentrati sulle applicazioni affrontano le sfide

Alcuni esempi illustrano chiaramente questa situazione:

Esempio n. 1: pulsossimetri e cardiofrequenzimetri

Il livello di saturazione dell'ossigeno nel sangue (SpO₂) e la frequenza cardiaca sono due dei parametri fondamentali per valutare lo stato di salute di una persona. Il primo è l'esempio più eclatante di come l'ottica e l'elettronica abbiano cambiato le aspettative dei PoC. L'unico modo per misurare la SpO₂ è sempre stato tramite un campione di sangue che l'infermiere inviava a un laboratorio per l'analisi.

Ora invece, utilizzando la tecnica elettro-ottica perfezionata qualche decennio fa, un LED sulla punta del dito, un fotosensore e vari algoritmi forniscono in pochi secondi una rapida lettura "fai-da-te". In più, lo stesso sistema composto da LED e fotosensore fornisce informazioni sulla frequenza cardiaca.

I progressi nei sistemi "LED più fotosensore" offrono ulteriori prestazioni e capacità. I CI come il modello MAX86171 (Figura 2, in alto), un sistema ottico di acquisizione dati a bassissimo consumo con canali di trasmissione e ricezione, sono adatti a queste applicazioni per funzionalità e specifiche. Nonostante la loro complessità interna, un'applicazione richiede solo pochi componenti discreti (Figura 2, in basso).

Figura 2: Il sistema di acquisizione ottica dei dati MAX86171 multicanale e a bassissimo consumo (in alto) sfrutta l'elevato livello di integrazione interna per semplificare il cablaggio esterno e la necessità di componenti passivi di supporto (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Sul lato trasmettitore, MAX86171 dispone di nove pin di uscita driver LED programmabili collegati a tre driver LED a 8 bit ad alta corrente. Sul lato ricevitore, MAX86171 è dotato di due front-end a basso rumore e integrazione di carica con circuiti di cancellazione della luce ambiente (ALC), che danno vita a un sistema di acquisizione dati ad alte prestazioni, altamente integrato e basato sull'ottica.

Oltre ai dati di SpO₂ e frequenza cardiaca, il CI può valutare la variabilità della frequenza cardiaca, l'idratazione corporea, la saturazione dell'ossigeno muscolare e tissutale (SmO₂ e StO₂) e il consumo massimo di ossigeno (VO₂max).

Si noti che le cifre di merito e le priorità per le applicazioni mediche differiscono da quelle per le situazioni non mediche. Poiché i livelli di luce sono solitamente relativamente bassi, il parametro critico è il rumore di fondo assoluto dei front-end ottici e non il rapporto segnale/rumore (SNR).

Mentre la larghezza di banda e le frequenze di campionamento sono molto basse, dal momento che i parametri di interesse non variano a velocità di molti chilohertz nel mondo biologico, la complessa natura analogica dei pazienti e dei segnali richiede una serie di priorità diverse nelle specifiche. Tra questi, l'elevata sensibilità, l'ampia gamma dinamica e il basso rumore, che consentono il funzionamento in un ambiente operativo mutevole, in cui la pelle e gli organi interni del paziente si spostano continuamente modificando l'area di contatto e la forza, anche se di poco. Ciò avviene anche in presenza di vari tipi di interferenze e variazioni, complicando ulteriormente le cose.

Per soddisfare i requisiti dell'applicazione, il CI MAX86171 offre una gamma dinamica compresa tra 91 e 110 dB a seconda della disposizione del test, una risoluzione di 19,5 bit, un rumore della corrente di buio inferiore a 50 pA (RMS) e una reiezione di luce ambiente superiore a 70 dB a 120 Hz.

Esempio n. 2: misurazioni di potenziometria, amperometria, voltammetria e impedenza

Gli ingegneri elettrici sono abituati a misurare tensione, corrente e impedenza, oltre alle loro relazioni, e hanno a disposizione un'ampia gamma di strumenti standard tra cui scegliere. Tuttavia, queste misurazioni hanno requisiti e vincoli unici in un ambiente chimico e biologico e rientrano in scenari diversi:

• Potenziometria: utilizza un potenziostato per misurare il potenziale elettrico tra due elettrodi e determinare la concentrazione di una sostanza in una soluzione.
• Amperometria: utilizza un amperometro per rilevare gli ioni in una soluzione in base alla corrente elettrica o alle variazioni di corrente elettrica.
• Voltammetria: applica uno specifico profilo di tensione a un elettrodo di lavorazione in funzione del tempo per misurare la corrente prodotta dal sistema, di solito tramite un potenziostato.
• Impedenza: misura il rapporto tra tensione e corrente della pelle e del corpo.

Per valutare questi parametri, l'AFE AD5940 offre un'ampia gamma di funzionalità e opzioni di interfaccia in un WLCSP a 56 sfere di 3,6 × 4,2 mm (Figura 3). Questo AFE a basso consumo è progettato per applicazioni portatili che richiedono tecniche elettrochimiche di alta precisione come misurazioni amperometriche, voltammetriche o di impedenza.

Figura 3: L'AFE AD5940 incorpora le funzioni sofisticate necessarie per misure amperometriche, voltammetriche o di impedenza precise e a basso consumo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'AFE AD5940 dispone di due anelli di eccitazione e di un canale di misurazione comune. Il primo anello è costituito da una stringa a due uscite, un convertitore digitale/analogico (DAC) e un potenziostato a basso rumore e può generare segnali da 0 Hz a 200 Hz.

Una uscita del DAC controlla l'ingresso non invertente del potenziostato e l'altra controlla l'ingresso non invertente dell'amplificatore in transimpedenza (TIA). Il secondo anello è costituito da un DAC a 12 bit in grado di generare segnali di eccitazione fino a 200 kHz.

Sul lato di ingresso, è presente un convertitore analogico/digitale (ADC) a 16 bit e 800 kS/s con buffer di ingresso, un filtro antialias e un amplificatore a guadagno programmabile (PGA). Un multiplexer seleziona i canali di ingresso per gli ingressi di corrente e tensione esterni e i canali interni per le tensioni di alimentazione, la temperatura del die e le tensioni di riferimento.

Gli ingressi di corrente comprendono due TIA con resistori a guadagno e carico programmabili per misurare diversi tipi di sensori. Il primo TIA misura i segnali a bassa larghezza di banda, mentre il secondo TIA misura i segnali ad alta larghezza di banda fino a 200 kHz.

Gli utenti di CI che offrono questo livello di integrazione e versatilità possono trarre vantaggio dai kit di valutazione che vanno oltre il CI stesso. Per l'AFE AD5940, la scheda di espansione EVAL-AD5940BIOZ per la valutazione del sensore elettrocardiografico (ECG/EKG) della piattaforma Arduino offre un ambiente di sviluppo familiare (Figura 4).

Figura 4: La scheda di espansione per la valutazione del sensore elettrocardiografico (ECG/EKG) EVAL-AD5940BIOZ della piattaforma Arduino semplifica l'utilizzo e la valutazione dell'AFE AD5490 quando si tratta di effettuare le misurazioni precise e di basso livello per cui è stato progettato. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Ogni scheda di valutazione AD5940 si rivolge a uno specifico obiettivo di misurazione dell'applicazione finale. La scheda simil-Arduino configura e comunica con l'AFE AD5940 attraverso la periferica SPI. Per la valutazione iniziale è disponibile uno strumento di interfaccia grafica (GUI) per le misurazioni, con funzionalità di grafici e di acquisizione dei dati. Molti progetti di esempio embedded scritti in C includono le istruzioni su come impostare l'ambiente di programmazione ed eseguire gli esempi.

Esempio n. 3: sicurezza e autenticazione dei dati

I dati memorizzati in luoghi diversi e non sicuri e trasmessi tramite connessioni wireless NFC (Near Field Communication) sollevano gravi problemi legati alla sicurezza e all'autenticità dei dati, alla prevenzione degli attacchi da parte di hacker e persino al rischio di riutilizzo, uso improprio e contraffazione di campioni o cartucce.

Per risolvere questi problemi, l'autenticatore sicuro MAX66250 (Figura 5, in alto) offre solide contromisure, dove tutti i dati memorizzati sono protetti a livello crittografico dall'essere rivelati. È compatibile con i sistemi embedded dotati di NFC (Figura 5, in basso), dove il rischio di accesso non autorizzato è più elevato.

Figura 5: L'autenticatore sicuro MAX66250 (in alto) offre diversi livelli di sicurezza avanzata dei dati e supporto all'autenticazione; incorpora inoltre un'interfaccia NFC (in basso) per il trasferimento di dati wireless. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'autenticatore sicuro combina l'autenticazione con sfida e risposta conforme allo standard FIPS 202 Secure Hash Algorithm (SHA-3) con una EEPROM protetta. Il dispositivo offre un set principale di strumenti di crittografia derivato da blocchi integrati, inclusi un motore SHA-3, 256 bit di EEPROM utente protetta, un contatore di soli decrementi e un numero identificativo ROM (ROM ID) univoco a 64 bit. Il ROM ID univoco è parametro di ingresso fondamentale per le operazioni di crittografia e funge da numero di serie elettronico all'interno dell'applicazione. Il dispositivo comunica attraverso un'interfaccia RF conforme a ISO/IEC 15693.

Esempio n. 4: controllo del movimento/motore

Molti dispositivi e stazioni per PoC richiedono un movimento attentamente controllato per trasportare una striscia o una provetta, combinare e trasferire reagenti, aggiungere o rilasciare quantità precise di liquidi ed eseguire il pipettaggio. Queste applicazioni richiedono spesso la generazione lineare e precisa di arresti, avviamenti, rampe e micropassi per fornire un movimento ad alta risoluzione e senza vibrazioni per un moto rapido, preciso, affidabile, silenzioso, riproducibile e ad alta efficienza energetica.

Per queste applicazioni, l'ideale è il controller per motori motori passo-passo e driver in CI a canale singolo/doppio TMC5072-LA-T di Trinamic (Figura 6, in alto) con interfacce di comunicazione seriale. Quando è cablato per il funzionamento in parallelo, offre una capacità di pilotaggio della corrente di bobina di 1,1/1,5 A di picco per motore e di 2,2/3 A di picco per un motore.

Per il funzionamento di base, il kit di valutazione TMC5072-BOB (Figura 6, in basso), che include un CI TMC5072 su scheda, si collega a un Arduino Mega utilizzando un ricetrasmettitore asincrono universale (UART) monofilare. Un'interfaccia grafica utente (GUI) fornisce gli strumenti per impostare facilmente i parametri, visualizzare i dati in tempo reale e sviluppare ed eseguire il debug di applicazioni autonome.

Figura 6: Il controller per motori motori passo-passo e driver in CI a canale singolo/doppio TMC5072-LA-T (in alto) offre prestazioni precise e un funzionamento lineare; è supportato dal kit di valutazione TMC5072-BOB (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

TMC5072 combina generatori di rampe flessibili per il posizionamento automatico dei bersagli e offre un funzionamento silenzioso, massima efficienza ed elevata coppia motrice. Il CI di 7 × 7 mm offre altre funzioni avanzate:

• stealthChop2 per un funzionamento estremamente silenzioso e un movimento fluido
• Chopper di controllo motori altamente dinamico SpreadCycle
• Controllo della velocità dipendente dal carico dcStep
• Rilevamento di carico del motore senza sensori di alta precisione StallGuard2
• Controllo di corrente CoolStep per risparmi di energia fino al 75%

Conclusione

La combinazione di progressi tecnologici ha il potenziale di portare i benefici dell'IA ai PoC medici, ma ciò richiede CI e incentrati sulle applicazioni, come gli AFE avanzati e i blocchi di sicurezza dei dati. Analog Devices offre un'ampia scelta di dispositivi ad alte prestazioni e basso consumo, ottimizzati per queste applicazioni e conformi ai requisiti medicali, tecnici e normativi.