Обеспечение более эффективного здравоохранения с помощью Интернета медицинских вещей

По данным Центров по контролю за заболеваниями (CDC), около 610 000 человек умирают в США от болезней сердца каждый год - это одна из каждых четырех смертей. Здоровье сердца - один из важнейших параметров общего состояния здоровья человека. Интернет медицинских вещей (IoMT) позволяет новому поколению носимых многопараметрических систем непрерывного сердечного мониторинга улучшить управление здравоохранением в различных больницах, клиниках, учреждениях по уходу за пациентами и в домашних условиях.

IoMT - это подключенная инфраструктура для медицинских устройств и служб, которая собирает и анализирует данные, которые отправляются поставщикам медицинских услуг. Сегодня эти устройства включают датчики, измеряющие температуру, влажность и вибрацию, а также алгоритмы, определяющие ограниченное количество сердечных заболеваний.

В конструкции нового поколения стремятся добавить параметры, которые позволят идентифицировать более широкий диапазон аритмий с использованием более умных и сложных алгоритмов. Например, одноразовые «пластыри», напоминающие невидимые повязки с несколькими очень маленькими ИС, можно удобно носить на коже в течение более длительного времени, чтобы контролировать и поддерживать здоровье сердца.

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

Узел датчика электрокардиограммы (ЭКГ) (например, пластырь для ЭКГ или проводящая одежда для мониторинга сердечного ритма) и служба управления данными собирают кардиологические данные с носимого устройства в центре обработки данных. Сенсорный узел обычно представляет собой устройство для мониторинга ЭКГ с одним или тремя отведениями с подключением до трех электродов (влажных или сухих) к электронике на пластыре.

Облачная платформа собирает и анализирует сердечные данные с помощью сложных алгоритмов и механизмов искусственного интеллекта (AI) для выявления потенциальных аномальных функций сердца. Результаты могут быть добавлены в медицинскую карту пациента и переданы в назначенную медицинскую организацию и ответственному кардиологу.

Аналоговые интерфейсы

Путь преобразования сигнала ЭКГ ( Рис. 1 ) включает аналоговый каскад, который используется для считывания, усиления и очистки аналоговой формы волны. Амплитуда сигнала ЭКГ колеблется от сотен микровольт до примерно 5 милливольт. Сигнал включает в себя низкочастотный (50/60 Гц) шум, связанный с линиями переменного тока, высокочастотный шум от мышц тела и часто радиочастотный шум от различного оборудования в непосредственной близости от устройства. В случае носимых устройств базовый уровень сигнала ЭКГ будет иметь нежелательные колебания из-за артефактов движения.

Таким образом, очень сложные аналоговые интерфейсы (AFE) часто используются для очистки и оцифровки сигналов ЭКГ. AFE включает фильтры электромагнитных помех для удаления радиочастотных шумов; фильтр верхних частот с типичной угловой частотой 0,5 Гц для удаления колебаний базовой линии; фильтр нижних частот с типичной изогнутой частотой 150 Гц для фильтрации внеполосного сигнала; режекторный фильтр для фильтрации шума 50/60 Гц; программируемый инструментальный усилитель с низким уровнем шума для усиления сигнала и аналого-цифровой преобразователь для оцифровки сигнала для последующей обработки дискретизированных данных.

Рис. 1:Типичный узел датчика кардиомониторинга, подключенный к IoMT, и соответствующий путь прохождения сигнала.

Ключевым требованием для AFE является поддержание характеристик формы волны ЭКГ от пациента на всем пути прохождения сигнала. Это достигается за счет сведения к минимуму влияния шума и неточностей (например, ошибки усиления, ошибки смещения и т. Д.) На всем пути прохождения сигнала при всех рабочих условиях.

Высокопроизводительные микроконтроллеры

Следующим этапом на пути является микроконтроллер (MCU) для постобработки и / или обслуживания оцифрованных данных ЭКГ. В зависимости от типа носимого устройства мониторинга, выборочные необработанные данные ЭКГ в носимом датчике будут либо анализироваться на лету для обнаружения наиболее распространенных сердечных аритмий, а затем сохраняться в энергонезависимой памяти в системе, либо сохраняться в памяти для автономный анализ по окончании срока службы устройства.

Первый подход используется в новом поколении одноразовых носимых ЭКГ, требующих более производительных микроконтроллеров с процессором DSP и большей памяти для хранения кода / данных для точного обнаружения нескольких распространенных аритмий на лету в дополнение к хранению больших объемов необработанных данных для публикации. обработка. Дополнительные требования включают меньшую занимаемую площадь электроники, прецизионные AFE и более низкое энергопотребление.

Дополнительная память и более высокая производительность микроконтроллера создают проблемы с энергопотреблением и размером кристалла. Эти проблемы необходимо решать, используя усовершенствованные технологические узлы с низким энергопотреблением и малой геометрией ячеек, а также путем включения функций управления питанием, позволяющих реализовать эффективные схемы управления питанием на системном уровне.

Системный MCU должен иметь низкое энергопотребление на рабочую частоту (лучше 50 мкА / МГц) и включать множество рабочих режимов с масштабируемой частотой, чтобы обеспечить гибкое управление питанием на системном уровне. Очень распространенный метод включает в себя циклическое включение и выключение MCU с помощью профиля, основанного на некоторых пользовательских проприетарных моделях использования системы.

Поскольку радиомодуль и MCU доминируют в энергопотреблении в системе, их использование должно быть как можно меньше. Чтобы ограничить энергопотребление в процессе включения и выключения питания, микроконтроллер должен обеспечивать потребление тока субмикроампера в режиме ожидания и иметь очень быстрое время перехода (не более нескольких микросекунд) из режима ожидания в нормальный рабочий режим, чтобы минимизировать потери мощности при переключении. .

Более новые AFE должны работать непрерывно при более низком энергопотреблении (обычно ниже 100 мкВт) и включать в себя специализированные маломощные схемы цифровой обработки сигналов (например, измерение периода пиковых значений R-to-R) в дополнение к тракту аналогового сигнала. Это снизит объем обработки сигнала микроконтроллером. В целом, такие функции, как расширенная диагностика, мониторинг параметров жизненно важных функций и дополнительное измерение сигналов (например, Bio-Z), усложняют AFE.

Подключение со сверхнизким энергопотреблением

Последний этап пути прохождения сигнала в узле датчика ЭКГ - это какой-то тип беспроводной связи с низким энергопотреблением для обеспечения связи со шлюзами, такими как смартфоны или настраиваемые концентраторы датчиков. Передача данных на облачную платформу и медицинские центры может включать необработанные данные ЭКГ, информацию о возможной аритмии или нормальном ритме, а также некоторые другие параметры системы, измеренные во время операции. В настоящее время Bluetooth с низким энергопотреблением является одним из наиболее часто используемых беспроводных интерфейсов. Типы подключения NB-IoT и CAT-M оцениваются для будущего использования.

Тенденция к меньшему форм-фактору, более экономичным и значительно более длительным одноразовым пластырям ЭКГ означает более высокий уровень интеграции для тракта прохождения сигнала сверхнизкого энергопотребления в крошечной системе на кристалле (SoC) или устройстве системы в корпусе (SIP). . Некоторые проблемы, с которыми сталкивается при миниатюризации электроники, - это необходимость в экономичном полупроводниковом технологическом узле, подходящем для маломощных прецизионных схем смешанного сигнала (аналоговых и цифровых), а также наличие более экономичной технологии упаковки с малыми габаритами.

Сверхнизкое энергопотребление является одним из ключевых требований к этому новому типу пластыря ЭКГ, поскольку он может значительно увеличить срок службы непрерывного мониторинга / анализа сердечных сигналов по сравнению с нынешней продолжительностью от семи до 15 дней. Более низкое энергопотребление также позволяет разработчикам включать дополнительный мониторинг показателей жизнедеятельности, что дает им конкурентное преимущество.

В настоящее время в патчах используются батарейки типа монета с типичной емкостью несколько сотен мАч. Однако предпринимаются попытки использовать батареи меньшей емкости, меньшей емкости и более экономичные в сочетании с методом сбора энергии с использованием «безбатарейных» сенсорных узлов, основанных на специализированных новых технологиях обработки полупроводников, таких как кремний-на-тонком-скрытом оксиде ( SOTB) и подпороговые процессы.

Проблема перевода патчей для кардиологического мониторинга, основанных на сборе энергии, из исследовательских лабораторий на рынок заключается в наличии непрерывных и постоянных источников энергии для сбора в точке использования. Для решения этой ключевой проблемы отрасль изучает возможность использования таких источников, как тепло тела, вибрация от движения или выделенная радиочастотная энергия в окружающей среде.

Наконец, конструкция SoC для мониторинга сердечной деятельности потребует успешной интеграции схем смешанного режима на очень маленьком кристалле кремния без интерференции через выделенные границы схемы. Это потребует специальных знаний в области проектирования, чтобы предотвратить распространение шума, генерируемого высокочастотной коммутацией цифровых и ВЧ цепей, на соседние прецизионные аналоговые цепи.

IoMT меняет традиционное реактивное здравоохранение на более доступную профилактическую систему с потенциально более низкими затратами. Сочетание достижений в области полупроводников, технологий связи и материаловедения с мощью ИИ открывает возможности для применения изменяющих жизнь приложений для улучшения общества.

Эш Патель и Бахрам Миршаб работают в сегменте здравоохранения, Renesas Electronics America Inc.