השתמש בקצה-קדמי אנלוגי מתקדם ואבטחה כדי להביא יתרונות AI לנקודת טיפול רפואי

בינה מלאכותית (AI)‏ כבר מפיקה תובנות נוספות מבדיקות מטופלים ונתוני ניסויים, משפרת אבחונים, תחזיות וניתוח מגמות. הצעד הבא‏ הוא העברת בדיקות רפואיות מונעות AI וניתוח דגימות מהמעבדה אל תוך חדר הרופא, המרפאה או הבית. גישה זו של נקודת-טיפול (PoC) מאפשרת הערכה מהירה של מצבים רפואיים, מפחיתה נטל על מטופלים, ובדיקות תכופות יותר כדי לספק נתונים מפורטים יותר ולזהות מגמות מדאיגות מוקדם יותר.

מימוש PoC מונע-AI דורש ICs ממוטבי-יישום רב-תכליתיים עם AFEs מתקדמים שיתחברו לביו-חיישנים עבור מדידות איסוף-הנתונים הדרושות. מעגלי IC אלה חייבים להתייחס לתכונות הייחודיות והמתוחכמות של מדידות אלקטרוכימיות, ביולוגיות וקשורות אחרות, כולל דיוק, הספק נמוך ופונקציות משולבות ביותר. הם חייבים גם להיות‏ נתמכים על ידי טכנולוגיית אבטחה מתקדמת כדי להבטיח פרטיות נתונים.

מאמר זה בוחן את המעבר ל-PoC והשלכות התכנון שלו. אחר כך הוא מתאר תרחישי מדידות AFE הנמצאים בשימוש נרחב ומציג פתרונות דוגמה מבית Analog Devices‏ לעמידה בדרישות מדידה ואבטחה של PoC.

מדוע עכשיו המעבר ל-PoC?

הכוחות המניעים להגברת בדיקות PoC ועיבוד דגימות כוללים את הדרישה לאבחון רפואי רב יותר וטוב יותר כדי לשפר סיכויי בריאות אישיים והצורך לפתח תובנה מבוססת-אוכלוסייה לגבי הזדקנות ומחלות. מנדטים רגולטוריים מעודדים ואף דורשים יותר בדיקות, ואלה חייבים להיעשות בעלות נמוכה יותר ועם זמני בדיקה והמתנה קצרים יותר. יש גם מגמה של יותר PoC מקומי במרפאה או בבית כדי להקטין למינימום את ההפרעה למטופלים ואת ההוצאות שלהם, דבר הדורש מכשור פשוט אך רב עוצמה.

בו בזמן, AI‏ מתפתחת במהירות כדי לאפשר שימוש בנתונים אלה לניתוח וחיזוי מעמיקים יותר.

גורמים משולבים אלה יוצרים ביקוש והזדמנות למעגלים מתוחכמים מבוססי-IC ממוטבים במיוחד עבור הצרכים הייחודיים של איסוף וניהול נתוני בדיקות רפואיות. מעגלי IC כגון אלה הם ממשק הקו הראשון בין נוזלי מטופלים למערכות הדרושות ללכידה, רישום, הערכה ודיווח של נתוני התוצאה מחיישנים שונים (איור 1‏).

איור 1: אלקטרוניקה אנלוגית קשורה מספקת את הממשק הקריטי בין הסימנים החיוניים והנוזלים של מטופל ומכשור ה-PoC ומערכות הנתונים הנלוות. (מקור תמונה: Analog Devices)

מעגלי IC מגוונים ממוקדי-יישום מתמודדים עם אתגרים

דוגמאות מסוימות מדגימות בבירור מצב זה:

דוגמה מספר 1: אוקסימטריית דופק ומנטרי קצב-לב:

רמת ריווי חמצן בדם (SpO₂) וקצב לב הם בין המדדים הבריאותיים הקריטיים הבסיסיים. הפרמטר הראשון מספק את הדוגמה הדרמטית ביותר‏ על האופן בו האופטיקה והאלקטרוניקה שינו ציפיות PoC. היסטורית, הדרך היחידה של אחות למדוד SpO₂ הייתה לקחת דגימת דם ולשלוח אותה למעבדה לבדיקה.

כעת‏, על ידי שימוש בטכניקה אלקטרו-אופטית ששופרה לפני מספר עשורים, LED, חיישן אופטי ואלגוריתמים בקצה-אצבע מספקים קריאת DIY מהירה בשניות. כיתרון נוסף, אותו סידור LED-חיישן אופטי מספק מידע על קצב הלב.

חידושים במערכות LED‏-ועוד-חיישן אופטי מציעים ביצועים ויכולות נוספים. מעגלי IC כמו ה-MAX86171 (איור 2‏, למעלה), מערכת איסוף נתונים אופטית הספק-אולטרה-נמוך עם שני הערוצים, שידור וקליטה, מותאמים ליישומים אלה על סמך הפונקציונליות והמפרט שלהם. למרות מורכבותם הפנימית, דרושים רק מספר רכיבים בדידים ביישום (איור 2‏, למטה).

איור 2‏: מערכת איסוף-הנתונים האופטית הרב-ערוצית, הספק-אולטרה-נמוך, MAX86171 (למעלה) ממנפת את הרמה הגבוהה שלה של אינטגרציה פנימית כדי לפשט מורכבות חיווט ואת הצורך ברכיבי תמיכה פסיביים (למטה). (מקור תמונה: Analog Devices‏)

בצד המשדר ל-MAX86171 יש תשעה פיני יציאה דוחפי LED ניתנים-לתכנות, מחוברים לשלושה דוחפי ‎8-bit LED, זרם-גבוה. בצד המקלט, ל-MAX86171 יש שני מעגלי קצה-קדמי משלבים טעינה, רעש-נמוך, עם מעגלי ביטול אור סביבה (ALC), והתוצאה היא מערכת איסוף-נתונים מבוססת-אופטיקה משולבת ביותר, ביצועים-עיליים.

בנוסף ל-SpO₂ ונתוני קצב לב, ה-IC יכול להעריך השתנות קצב לב, הידרציית גוף, ריווי חמצן בשרירים וברקמות (SmO₂ ו-StO₂), וצריכת חמצן מקסימלית (VO₂ max).

שים לב שמדדי ההצטיינות (figures of merit) וסדרי העדיפויות עבור יישומים רפואיים שונים מאלה שהם עבור מצבים לא-רפואיים. מכיוון שרמות האור בדרך כלל נמוכות יחסית, רצפת הרעש המוחלטת של מעגלי הקצה-קדמי האופטיים היא הפרמטר הקריטי ולא היחס-אות-לרעש (SNR).

בעוד רוחב-הפס וקצבי הדגימה נמוכים מאוד, מאחר והפרמטרים המעניינים בעולם הביולוגי אינם משתנים בקצבים של קילו-הרץ רבים, האופי האנלוגי המורכב של המטופלים והאותות מחייב סטים שונים של סדרי עדיפויות במפרטים. אלה כוללים רגישות גבוהה, תחום דינמי רחב ורעש נמוך כדי להצליח בסביבה סובבת משתנה, לא קבועה, בה העור והאיברים הפנימיים של המטופל משתנים ללא הרף כדי לשנות אזור מגע וכוח, אפילו במעט. הם עושים זאת גם בנוכחות סוגים שונים של "רעש" מפריע ושינויים, ובכך מסבכים עוד יותר את העניינים.

כדי לעמוד בדרישות היישום, ה-MAX86171 כולל תחום דינמי בין 91 ו-110 דציבלים (dB‏), תלוי בסידורי הבדיקה, רזולוציה של‏ 19.5 סיביות, רעש זרם חשיכה של פחות מ-50 פיקו-אמפר (pA‏) (RMS‏), וספרת דחיית אור סביבה טובה יותר מ-‎70 dB‏ ב-120 הרץ (Hz).

דוגמה מספר 2: פוטנציומטריה, אמפרומטריה, וולטמטריה ומדידות עכבה:

מהנדסי חשמל מרגישים בנוח עם מדידת מתח, זרם ועכבה, יחד עם מערכות היחסים שלהם, על ידי בחירה ממגוון רחב של מכשור סטנדרטי. עם זאת, למדידות אלו יש דרישות ומגבלות‏ ייחודיות בסביבה כימית וביולוגית ומציגות תרחישים נבדלים:

• פוטנציומטריה: שימוש בפוטנציוסטאט למדידת הפוטנציאל החשמלי בין שתי אלקטרודות כדי לקבוע את הריכוז של‏ חומר בתמיסה
• אמפרומטריה: שימוש בסידור אמפרומטרי כדי לגלות יונים בתמיסה בהתבסס על זרם חשמלי או שינויים בזרם חשמלי
• וולטמטריה: היכן‏ שפרופיל מתח ספציפי מוחל על אלקטרודה עובדת כפונקציה של זמן, והזרם המיוצר על ידי המערכת נמדד, בדרך כלל, באמצעות‏ פוטנציוסטאט
• עכבה: מדידת היחס בין המתח והזרם של עור וגוף

כדי להעריך פרמטרים אלה, ה-AD5940 מספק‏ מגוון רחב של‏ אפשרויות פונקציונליות וממשקיות במארז WLCSP בגודל 3.6 × 4.2 מ"מ (mm) עם 56 כדוריות (איור 3‏). AFE הספק-נמוך זה מתוכנן עבור יישומים נישאים הדורשים טכניקות אלקטרוכימיות מדויקות ביותר כגון מדידות אמפרומטריות, וולטמטריות או עכבה.

איור 3‏: ה-AD5940 AFE משלב את הפונקציות המתוחכמות הדרושות עבור מדידות הספק-נמוך אמפרומטריות, וולטמטריות או עכבה מדויקות. (מקור תמונה: Analog Devices‏)

ל-AD5940 יש שני חוגי ערור וערוץ מדידה משותף אחד. החוג הראשון מורכב ממחרוזת‏ שתי-יציאות, ממיר דיגיטלי-לאנלוגי (DAC‏) ופוטנציוסטאט‏ רעש-נמוך, והוא יכול להפיק אותות מ-‎0 Hz עד ‎200 Hz‏.

יציאה אחת של‏ ה-DAC שולטת על הכניסה הלא-הופכת של‏ הפוטנציוסטאט, והשנייה שולטת על הכניסה הלא-הופכת של מגבר הטרנס-אימפדנס (TIA‏). החוג השני כולל ‎12-bit DAC המסוגל לחולל אותות ערור עד ‎200 kHz‏.

בצד הכניסה, יש ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC)‏ ‎16-bit, עם 800 קילו-דגימות לשנייה (kS/s) וחוצצי כניסה, מסנן החלקה (anti-aliasing filter), ומגבר בעל הגבר ניתן לתכנות (PGA). מרבב בוחר ערוצי כניסה עבור כניסות זרם ומתח חיצוניות וערוצים פנימיים עבור מתחי אספקה, טמפרטורת פיסת הסיליקון ומתחי ייחוס.

כניסות הזרם כוללות שני מגברי TIA‏ עם הגבר ניתן לתכנות ונגדי עומס למדידת סוגי חיישן שונים. ה-TIA‏ הראשון מודד אותות רוחב-פס-נמוך, בעוד ה-TIA‏ השני מודד אותות רוחב-פס-גבוה עד ‎200 kHz‏.

משתמשים של‏ מעגלי IC המציעים רמת זו של‏ אינטגרציה ורב-תכליתיות מפיקים תועלת מערכות הערכה ההולכות מעבר ל-IC עצמו. לוח ההרחבה וההערכה של פלטפורמת Arduino חיישן אלקטרו-קרדיוגרפיה (ECG/EKG)‏ EVAL-AD5940BIOZ מספק עבור ה-AD5940 סביבת פיתוח מוכרת (איור 4‏).

איור 4‏: לוח ההרחבה וההערכה של פלטפורמת Arduino חיישן אלקטרו-קרדיוגרפיה (ECG/EKG)‏ EVAL-AD5940BIOZ מפשט את האתגר של שימוש ב-AD5490 והערכתו בעת ביצוע המדידות העדינות ברמה נמוכה שהוא נועד לספק. (מקור תמונה: Analog Devices‏)

כל לוח הערכה AD5940 מכוון למטרת מדידה מסוימת של יישום קצה. הלוח דמוי-ה-Arduino מגדיר ומתקשר עם ה-AD5940 דרך התקשורת ההיקפית SPI. כלי‏ ממשק משתמש גרפי (GUI) עבור מדידות עם יכולות שרטוט גרף ולכידת נתונים זמין עבור הערכה ראשונית. פרויקטים רבים לדוגמה שנכתבו ב-C משובץ‏ כוללים הוראות כיצד להגדיר את סביבת התכנות ולהפעיל את הדוגמאות.

דוגמה מספר 3‏: אבטחת נתונים ואימות:

נתונים מאוחסנים במקומות שונים ולא מאובטחים ומשודרים תוך שימוש בקישורי תקשורת שדה-קרוב (NFC) אלחוטיים מעלים שאלות רציניות בנוגע לאבטחת נתונים, אותנטיות, מניעה מפני פריצה, והסיכון של‏ שימוש-חוזר, שימוש לא ראוי ודוגמאות או מחסניות מזויפות.

כדי לטפל בחששות אלה, המאמת המאובטח MAX66250‏ (איור 5‏, למעלה) מספק אמצעי נגד איתנים, עם כל הנתונים המאוחסנים מוגנים באופן קריפטוגרפי מפני גילוי‏. הוא תואם עם מערכות משובצות מאופשרות-NFC (איור 5‏, למטה), היכן שהסיכון לגישה לא-מורשית‏ גבוהה יותר.

איור 5‏: המאמת המאובטח MAX66250‏ (למעלה) מספק רמות מרובות של‏ אבטחת נתונים ותמיכת אימות מתקדמות; הוא‏ גם משלב‏ ממשק NFC (למטה) עבור העברת נתונים אלחוטית. (מקור תמונה: Analog Devices‏)

המאמת המאובטח משלב אימות אתגר-ותגובה Secure Hash Algorithm‏ (SHA-3‏) תואם FIPS 202 עם EEPROM מאובטח. ההתקן מספק‏ סט ליבה של כלי קריפטוגרפיה הנגזרים מבלוקים משולבים, כולל מנוע‏ SHA-3‏, ‏256 סיביות של EEPROM משתמש מאובטח, ‏מונה הפחתה בלבד ו-‎64-bit ROM‏ מספר זיהוי‏ (ROM ID) ייחודי. ה-ROM ID הייחודי הוא פרמטר כניסה יסודי עבור פעולות קריפטוגרפיות ומשרת כמספר סידורי אלקטרוני ביישום. ההתקן מתקשר דרך‏ ממשק RF תואם עם ISO/IEC 15693.

דוגמה מספר 4: בקרת תנועה/מנוע:

תחנות והתקני PoC רבים דורשים תנועה מבוקרת בקפדנות כדי להעביר רצועת בדיקה או מבחנת בדיקה בין תחנות, לשלב ולהעביר ראגנטים (reagents), או להוסיף או לשחרר כמויות מדויקות של‏ נוזלים ולבצע העברות פיפטה (pipetting). יישומים אלה דורשים לעיתים קרובות מיקרו-צעדים מדויקים, עצירה, התחלה ויצירת עליה או ירידה ליניארית (ramp generation) כדי לספק תזוזה ברזולוציה גבוהה וללא רעידות עבור תנועה מהירה, מדויקת, אמינה, שקטה, הדירה ויעילה אנרגטית.

מעגל IC בקר ודוחף מנוע-צעדים ערוץ אחד/שניים Trinamic TMC5072-LA-T (איור 6‏, למעלה) עם ממשקי תקשורת טוריים מתאים ליישומים אלה. כשמחווט לעבודה מקבילית, הוא‏ מציע יכולת דחיפת זרם-סליל של ‎1.1 A‏/‎1.5 A‏ שיא למנוע ו-‎2.2 A‏/A‏ 3‏ שיא‏ עבור מנוע אחד.

לעבודה בסיסית, ערכת ההערכה הנלווית TMC5072-BOB (איור 6‏, למטה), שכוללת על הלוח TMC5072, מתחברת ל-Arduino Mega תוך שימוש במשדר/מקלט אסינכרוני אוניברסלי (UART)‏ חוט-יחיד. ממשק משתמש גרפי (GUI) מספק כלים עבור כיוון קל של פרמטרים, עם הצגה חזותית של נתונים בזמן אמת ופיתוח וניפוי באגים של יישומים עצמאיים.

איור 6‏: IC בקר ודוחף מנוע-צעדים ערוץ אחד/שניים TMC5072-LA-T (למעלה) מספק ביצועים מדויקים ופעולה חלקה; הוא נתמך על ידי ערכת ההערכה TMC5072-BOB‏ (למטה). (מקור תמונה: Analog Devices‏)

ה-TMC5072 משלב מחוללי עליה וירידה ליניארית (ramp generators) גמישים עבור מיקום מטרה אוטומטי ומציע עבודה ללא רעש, נצילות מקסימלית ומומנט מנוע גבוה. מעגל ה-IC ‏7 מ"מ × 7 מ"מ‏ מציע מאפיינים מתקדמים אחרים:‏

• StealthChop עבור עבודה שקטה ביותר ותנועה חלקה
• גודע (chopper) בקרת-מנוע דינמי ביותר SpreadCycle
• DcStep עבור בקרת מהירות תלויה בעומס
• גילוי עומס-מנוע בדיוק גבוה ללא חיישן StallGuard2
• בקרת זרם עבור חיסכון באנרגיה עד 75% CoolStep

סיכום

לשילוב של התקדמות טכנולוגית יש פוטנציאל להביא את היתרונות של‏ AI ל-PoC רפואי מקומי. זה דורש מעגלי IC ממוקדי-יישום, משולבים, כגון רכיבי AFE מתקדמים ובלוקים של אבטחת נתונים. חברת Analog Devices‏ מציעה מבחר גדול של התקני הספק-נמוך, ביצועים-עיליים, ממוטבים עבור יישומים אלה העומדים בדרישות הטכניות, הרפואיות והרגולטוריות.