Революция в кардиологической помощи с IoMT: непрерывный мониторинг для лучших результатов

Согласно Центрам по контролю и предотвращению заболеваний (CDC), ежегодно в США от сердечных заболеваний умирает около 610 000 человек — это одна из четырех смертей. Сердечное здоровье — один из самых важных параметров общего здоровья человека. Интернет медицинских вещей (IoMT) позволяет новое поколение носимых, многопараметрических, непрерывных систем кардиологического мониторинга для улучшения управления здравоохранением в различных больничных, клинических, пациентских и домашних средах.

IoMT — это подключенная инфраструктура для медицинских устройств и сервисов, собирающих и анализирующих данные, отправляемых поставщикам здравоохранения. Сегодня эти устройства включают сенсоры, измеряющие температуру, влажность и вибрацию, а также алгоритмы, идентифицирующие ограниченное количество сердечных состояний.

Проекты следующего поколения стремятся добавить параметры, которые бы идентифицировали более широкий спектр аритмий, используя более умные и сложные алгоритмы. Например, одноразовые «накладки», похожие на невидимые пластыри с несколькими очень маленькими IC, могут носиться комфортно на коже дольше для мониторинга и управления кардиологическим здоровьем.

Подключенные системы кардиологического мониторинга будут включать три основных элемента: носимые беспроводные сенсорные узлы, сервис управления данными и облачные аналитические платформы.

Сенсорный узел электрокардиограммы (ECG) (например, ECG-накладка или проводящие одежды для мониторинга частоты сердечных сокращений) и сервис управления данными собирают кардиологические данные с носимого устройства в центре обработки данных. Сенсорный узел обычно представляет собой одно- или трехпроводное устройство мониторинга ECG с до тремя электродами (влажными или сухими), присоединенными к электронике на накладке.

Облачная платформа собирает и анализирует кардиологические данные, используя сложные алгоритмы и AI-движки для выявления потенциальных аномальных функций сердца. Результаты могут быть добавлены в медицинские записи пациента и сделаны доступными для обозначенной медицинской организации и ответственного кардиолога.

Аналоговые фронтенды

Путь кондиционирования ECG-сигнала (Рис. 1) включает аналоговую стадию, используемую для 감지, усиления и очистки аналоговой волны. Амплитуда сигнала ECG варьируется от сотен микровольт до около 5 милливольт. Сигнал включает низкочастотный (50/60 Гц) шум, связанный с переменным током, высокочастотный шум от мышц тела и часто RF-шум от различного оборудования вблизи устройства. В случае носимых устройств базовая линия ECG-сигнала имела бы нежелательные флуктуации из-за артефактов движения.

Таким образом, высоко сложные аналоговые фронтенды (AFE) часто используются для очистки и оцифровки сигналов ECG. AFE включает EMI-фильтры для удаления RF-шума; высокочастотный фильтр с типичной граничной частотой 0,5 Гц для удаления флуктуаций базовой линии; низкочастотный фильтр с типичной граничной частотой 150 Гц для фильтрации внеполосного сигнала; режекторный фильтр для фильтрации 50/60 Гц шума; низкошумовой программируемый инструментальный усилитель для усиления сигнала и аналого-цифровой преобразователь для оцифровки сигнала для пост-обработки семплированных данных.

Рис. 1: Типичный IoMT подключенный сенсорный узел кардиологического мониторинга и связанный путь сигнала.

Ключевое требование к AFE — сохранение характеристик волны ECG пациента на протяжении всего пути сигнала. Это достигается минимизацией эффектов шума и неточностей (например, ошибка усиления, ошибка смещения и т.д.) на протяжении всего пути сигнала при всех рабочих условиях.

Высокопроизводительные MCU

Следующая стадия в пути — микроконтроллер (MCU) для пост-обработки и/или обслуживания оцифрованных ECG-данных. В зависимости от типа носимого мониторинга, семплированные сырые ECG-данные в носимом сенсоре будут либо анализироваться на лету для обнаружения наиболее распространенных кардиальных аритмий и затем сохраняться в энергонезависимой памяти системы, либо храниться в памяти для офлайн-анализа в конце срока службы устройства.

Первый подход применяется в новом поколении одноразовых носимых ECG, требующих более высокопроизводительных MCU с DSP-движком и большей памятью кода/данных для точного обнаружения нескольких распространенных аритмий на лету в дополнение к хранению больших объемов сырых данных для пост-обработки. Дополнительные требования включают более компактную электронику, точные AFE и более низкое потребление энергии.

Дополнительная память и более высокая производительность MCU вводят вызовы в энергопроизводительности и размере кристалла. Эти вызовы должны быть решены использованием передовых низкоэнергетических процессов с мелкой геометрией ячеек и включением функций управления питанием для эффективных схем управления питанием на системном уровне.

Системный MCU должен иметь низкое потребление на рабочую частоту (лучше 50 мкА/МГц) и включать множество режимов работы с масштабируемой частотой для гибкого управления питанием на системном уровне. Очень распространенный метод включает циклирование MCU «вкл» и «выкл» с профилем, основанным на некоторых кастомных проприетарных моделях использования системы.

Поскольку радио и MCU доминируют в потреблении энергии в системе, их использование должно быть как можно ниже. Для ограничения потребления во время циклирования питания, MCU должен обеспечивать суб-микроамперное потребление в режиме ожидания и иметь очень быстрое время перехода (не более нескольких микросекунд) из ожидания в нормальный рабочий режим для минимизации потерь коммутационной мощности.

Новые AFE требуются для непрерывной работы при более низком потреблении (обычно ниже 100 мкВт) и включают выделенные низкоэнергетические цифровые цепи обработки сигналов (например, измерение периода пик-пик R-R) в дополнение к аналоговому пути сигнала. Это снизит объем обработки сигнала MCU. В целом, такие функции, как расширенная диагностика, мониторинг жизненно важных параметров и дополнительное измерение сигналов (например, Bio-Z) способствуют сложности AFE.

Ультра-низкопотребляющая связность

Последняя стадия пути сигнала в сенсорном узле ECG — это какой-то тип низкоэнергетической беспроводной связи для коммуникации со шлюзами, такими как смартфоны или кастомные сенсорные хабы. Передача данных на облачную платформу и медицинские центры может включать сырые ECG-данные, возможную информацию об аритмии или нормальном ритме, а также некоторые другие системные параметры, измеренные во время работы. В настоящее время низкоэнергетический Bluetooth является одним из наиболее часто используемых беспроводных интерфейсов. NB-IoT и CAT-M типы связи оцениваются для будущего использования.

Тренд к более компактному форм-фактору, более экономичным и значительно более долговечным одноразовым ECG-накладкам означает более высокий уровень интеграции для ультра-низкоэнергетического пути сигнала в крошечном system on chip (SoC) или system in package (SIP) устройстве. Некоторые вызовы, с которыми сталкиваются при миниатюризации электроники, — это потребность в экономичном полупроводниковом процессе, подходящем для низкоэнергетических точных смешанных (аналоговых и цифровых) схем, и доступность более экономичной технологии упаковки с малым футорпринтом.

Ультра-низкое потребление — одно из ключевых требований для этого нового типа ECG-накладки, так как оно может значительно увеличить время непрерывного мониторинга/анализа кардиального сигнала за текущую продолжительность 7–15 дней. Меньшее потребление также позволяет разработчикам включать дополнительный мониторинг жизненно важных признаков, давая им конкурентное преимущество.

В настоящее время накладки используют одноразовые монетные батареи с типичной емкостью несколько сотен мАч. Однако существуют усилия по использованию более мелких, меньшей емкости и более экономичных батарей в комбинации с методом сбора энергии, использующим «бесбатарейные» сенсорные узлы на базе специализированных новых полупроводниковых технологий процессов, таких как silicon-on-thin-buried-oxide (SOTB) и субпороговые процессы.

Проблема перехода энергозависимых кардиологических мониторинговых накладок из исследовательских лабораторий на рынок — это доступность непрерывных и последовательных источников энергии для сбора в точке использования. Отрасль исследует использование таких источников, как тепло тела, вибрация от движения или выделенная RF-энергия в окружающей среде для решения этой ключевой проблемы.

Наконец, проектирование SoC для кардиологического мониторинга потребует успешной интеграции смешанных схем на очень маленьком куске кремния без интерференции через выделенные границы в лэйауте. Это потребует специальной проектной экспертизы для предотвращения распространения шума, генерируемого высокочастотными переключающими цифровыми и RF схемами, к соседней точной аналоговой схеме.

IoMT смещает традиционную реактивную здравоохранение к более доступной превентивной системе с потенциально более низкими затратами. Сочетание достижений в полупроводниках, связи и материаловедении с мощью AI предлагает потенциал для меняющих жизнь приложений на благо общества.

>> Эта статья была первоначально опубликована на нашем партнерском сайте Electronic Products: «Интернет медицинских вещей позволяет подключенные системы кардиологического мониторинга».

Аш Патель и Бахрам Миршаб работают в сегменте Healthcare, Renesas Electronics America Inc.