השתמשו ב-ICs‏ גמישים של AFE‏, בקרת תנועה ואימות לתכנון מערכות דיאגנוסטיקה בנקודות-טיפול (PoC)

המגמה של בדיקות רפואיות בנקודת-הטיפול (PoC) עוברת מהמעבדה למרפאת הרופא, למרפאה או אפילו לבית. למעבר זה יש פוטנציאל להאיץ את הדיאגנוסטיקה, להוביל לטיפול מהיר יותר בחולים, לשיפור התוצאות ולהפחתת העלויות.

מימוש PoC מתחיל עם ICs‏ ורסאטיליים ממוטבי-יישום, עם קצה-קדמי אנלוגי (AFE) מתקדם כדי להתממשק עם ביו-חיישנים ביולוגיים שונים עבור מדידות הנתונים הנדרשים. כל IC‏ חייב לטפל בתכונות הייחודיות של מדידות אלקטרוכימיות, ביולוגיות ומדידות קשורות, עם דיוק, צריכת הספק נמוכה ופונקציות משולבות ביותר. מוצרים סופיים מוצלחים מאופיינים בביצועים עיליים, כמו גם בגמישות וביכולת שדרוג כדי לתרום להבטחת עתיד הפלטפורמה. הם חייבים להיות נתמכים גם על ידי בקרת תנועה מדויקת וחלקה, ו-ICs‏ לאימות כדי להבטיח את דיוק ופרטיות הנתונים.

מאמר זה בוחן את המעבר ל-PoC ואת השלכות התכנים שלו. לאחר מכן, הוא מתאר תרחישי מדידה של AFE הנמצאים בשימוש נרחב ומציג פתרונות גמישים של Analog Devices כדי לעמוד בדרישות המדידות, בקרת התנועה והאימות של PoC.

מדוע PoC‏ דווקא כעת?

הכוחות המניעים להוספת בדיקות PoC ועיבוד דגימות כוללים את הדרישה לאבחון רפואי מהיר יותר עבור שיפור תוצאות הבריאות האישית. הדרישות הרגולטוריות מעודדות ואף דורשות יותר בדיקות. ישנה גם מגמה של מימוש ה-PoC במקום קרוב ככל היותר למטופל, במרפאה או בבית, כדי למזער את ההפרעה, ההוצאות והזמן של המטופל. מערכות כאלה דורשות מכשור פשוט לשימוש אך רב-עוצמה דיו כדי לעמוד ביעדים אלה.

עבור מתכנני מערכות כאלה, ICs‏ של AFE, בקרת תנועה ואימות הם ממשק הקו-הקדמי בין הנוזלים והאיברים החיוניים של המטופל לבין המערכות הנדרשות לקליטה, רישום, הערכה ודיווח של הנתונים המתקבלים מחיישנים שונים. הם אבני הבניין של פתרונות הדיאגנוסטיקה האלקטרוכימיים והאופטיים הנדרשים כדי לספק מנוע מדידה שישלים מגוון רחב של חיישנים ביולוגיים וכימיים, תוך מתן אפשרות לפלטפורמה שניתן לשדרג באמצעות תוכנה (איור 1).

איור 1: אלקטרוניקה אנלוגית ואלקטרוניקה קשורה מספקות את הממשק הקריטי בין הסימנים החיוניים והנוזלים של מטופלים לבין מכשור ומערכות נתונים הקשורות ל-PoC. (מקור התמונה: Analog Devices)

ICs‏ ממוקדי-יישום מגוונים מתמודדים עם האתגרים

כמה דוגמאות ממחישות בבירור מצב זה:

דוגמה מס' 1: גילוי פלואורסצנציה אופטית (FLD‏):

טכניקה זו מאפשרת לחוקרים לחקור את התפלגות, מיקום ואינטראקציות של רכיבים ביולוגיים בתוך תאים או רקמות, ומספקת תובנות מפורטות לגבי תהליכים ותפקודים תאיים שלעתים קרובות אינם נראים במיקרוסקופ אור סטנדרטי. היא משתמשת בפלואורופורים מושרי פלואורסצנציה, בניגוד לבליעה, פיזור או החזרה אופטיים.

פלואורופור סופג אור באורך גל מסוים, ומעורר חלק מהאלקטרונים שלו למצב אנרגיה גבוה יותר. כאשר האלקטרונים חוזרים למצב היסודי שלהם, הפלואורופור פולט אור באורך גל פליטה אופייני וארוך יותר. פלואורסצנציה זו הנפלטת מתגלית ומנותחת, ומספקת דימות ברמה המולקולרית ועם ניגודיות גבוהה של מבנים ביולוגיים.

החידושים במערכות LED פלוס פוטו-חיישן מציעים ביצועים ויכולות נוספים. ICs‏ כגון ה-MAX86171‏ (איור 2, למעלה), מערכת קליטת נתונים אופטיים בהספק אולטרה-נמוך עם ערוצי שידור וקליטה, מותאמים עבור יישומים אלו. למרות מורכבותם הפנימית, רק מספר מצומצם של רכיבים בדידים נדרשים ביישום (איור 2, למטה).

איור 2: מערכת איסוף נתונים אופטיים רבת-ערוצים בהספק אולטרה-נמוך MAX86171 (למעלה) ממנפת את רמת האינטגרציה הפנימית הגבוהה שלה כדי לפשט את החיווט החיצוני ואת הצורך ברכיבי תמיכה פסיביים (למטה). (מקור התמונה: Analog Devices)

בצד המשדר, ל-MAX86171 יש תשעה פיני יציאה של דוחף LED הניתנים-לתכנות ומחוברים לשלושה דוחפי LED‏ bit‏-8‏ עם זרם גבוה. בצד המקלט, ל-IC יש שני מעגלי קצה-קדמי עם שילוב-מטען ורעש נמוך עם מעגלי ביטול אור סביבה (ALC‏), כשהתוצאה היא מערכת איסוף נתונים מבוססי-אופטיקה משולבים-ביותר עם ביצועים עיליים.

עבור תכנים הדורשים פחות ערוצים אופטיים, ה-+MAX86178ENJ‏ הוא AFE עבור סימנים חיוניים בדירוג-קליני בהספק אולטרה-נמוך, התומך בעד שש נורות LED‏ וארבע כניסות פוטו-דיודה.

שימו לב כי ספרות האיכות והעדיפויות עבור יישומים רפואיים שונים מאלה עבור מצבים לא-רפואיים כגון ערוצי נתונים אופטיים. מכיוון שרמות האור הן בדרך כלל נמוכות יחסית, רצפת הרעש האבסולוטי של מעגלי קצה-קדמי אופטיים היא הפרמטר הקריטי, ולא יחס האות-לרעש (SNR).

בעוד שרוחב הפס וקצב הדגימה הם נמוכים ביותר, והפרמטרים המעניינים אינם משתנים בקצב של מספר קילו-הרץ בעולם הביולוגי, האופי האנלוגי המורכב של המטופלים והאותות מחייב סטים שונים של עדיפויות במפרטים. אלה כוללים רגישות גבוהה, תחום דינמי רחב ורעש נמוך כדי להצליח בסביבת פעולה משתנה שבה עורו של המטופל ואיבריו הפנימיים משתנים ללא הרף כדי לשנות את אזור המגע והכוח, אפילו במעט. הם עושים זאת גם בנוכחות סוגים שונים של רעש ושינויים מפריעים, המסבכים עוד יותר את העניינים.

כדי לעמוד בדרישות היישום, ל-MAX86171 יש תחום דינמי בין 91 ל-110 דציבלים (dB) בהתאם לסידור הבדיקה, רזולוציה של bits‏ 19.5‏, רעש זרם-חושך של פחות מ-50 פיקו-אמפר (pA‏) (RMS‏), וספרת דחיית אור סביבה טובה יותר מ-dB‏ 70‏ ב-120 הרץ (Hz).

דוגמה מס' 2: מדידות פוטנציומטריה, אמפרומטריה, וולטמטריה ואימפדנס:

מהנדסי חשמל מרגישים בנוח עם מדידת מתח, זרם ואימפדנס, יחד עם היחסים ביניהם, על ידי בחירה מתוך מגוון רחב של מכשור סטנדרטי. עם זאת, למדידות אלו יש דרישות ואילוצים ייחודיים בסביבה כימית וביולוגית והן מציגות תרחישים שונים:

• פוטנציומטריה: שימוש בפוטנציוסטאט למדידת הפוטנציאל החשמלי בין שתי אלקטרודות כדי לקבוע את ריכוז החומר בתמיסה.
• אמפרומטריה: שימוש בסידור אמפרומטרי לגילוי יונים בתמיסה על סמך זרם חשמלי או שינויים בזרם חשמלי.
• וולטמטריה: כאשר פרופיל מתח ספציפי מיושם על אלקטרודה עובדת כפונקציה של הזמן, והזרם המופק על ידי המערכת נמדד בדרך כלל באמצעות פוטנציוסטאט.
• אימפדנס: מדידת היחס בין מתח וזרם של עור וגוף

כדי להעריך פרמטרים אלה, ה-AD5940‏ מספק מגוון רחב של פונקציונליות ואפשרויות ממשק במארז WLCSP בעל 56 כדוריות במידות של 3.6 × 4.2 מילימטרים (מ"מ) (איור 3). AFE בהספק נמוך זה מתוכנן עבור יישומים ניידים הדורשים טכניקות אלקטרוכימיות מדויקות ביותר כגון מדידות אמפרומטריות, וולטמטריות או אימפדנס.

איור 3: ה-AD5940 AFE משלב את הפונקציות המתוחכמות הנדרשות עבור מדידות אמפרומטריות, וולטמטריות או אימפדנס מדויקות בהספק נמוך. (מקור התמונה: Analog Devices)

ל-AD5940 יש ני חוגי עירור וערוץ מדידה משותף אחד. החוג הראשון מורכב ממחרוזת בעלת שתי יציאות, ממיר דיגיטלי-לאנלוגי (DAC) ופוטנציוסטט בעל רעש נמוך, והיא יכולה לייצר אותות מ-Hz‏ 0‏ עד Hz‏ 200‏.

יציאה אחת של ה-DAC מבקרת את הכניסה הלא-הופכת של הפוטנציוסטט, והשנייה מבקרת את הכניסה הלא-הופכת של מגבר הטרנס-אימפדנס (TIA‏). החוג השני מורכב מ-DAC של bit‏-12‏ המסוגל לייצר אותות עירור של עד 200 קילוהרץ (kHz).

ביציאה יש ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) של bit‏-16‏, 800 קילו-דגימות לשנייה (kS/s), עם חוצצי כניסה, מסנן Antialias‏ ומגבר עם הגבר ניתן-לתכנות (PGA). מולטיפלקסר בוחר ערוצי כניסה עבור זרם ומתח חיצוניים וערוצים פנימיים עבור מתחי הספקה, טמפרטורת שבב ומתחי ייחוס.

כניסות הזרם כוללות שני TIA עם נגדי הגבר ועומס ניתנים-לתכנות עבור מדידת סוגי חיישנים שונים. ה-TIA הראשון מודד אותות ברוחב פס נמוך, בעוד שה-TIA השני מודד אותות ברוחב פס גבוה עד 200 קילוהרץ.

משתמשי ICs המציעים רמת אינטגרציה ורסאטיליות זו נהנים מערכות הערכה ההולכות מעבר ל-IC‏ בלבד. עבור ה-AD5940, לוח ההרחבה להערכת פלטפורמת Arduino‏ עבור חיישן אלקטרוקרדיוגרפיה (ECG/EKG‏) EVAL-AD5940BIOZ‏ מספק סביבת פיתוח מוכרת (איור 4). ערכה זו מסייעת גם בהבטחת עתיד התכנים כאשר מתווספות דרישות בדיקה חדשות, שכן ניתן לשדרג את הפלטפורמה באמצעות תוכנה.

איור 4: לוח ההרחבה של פלטפורמת Arduino‏ עבור הערכת חיישן אלקטרוקרדיוגרפיה (ECG/EKG‏) EVAL-AD5940BIOZ‏ מפשט את האתגר של השימוש וההערכה של ה-AD5490‏ כאשר מבצעים את המדידות העדינות ברמה-נמוכה שעבורן הוא מתוכנן. (מקור התמונה: Analog Devices‏)

כל לוח הערכה AD5940 מיועד למטרת מדידה ספציפית של יישום קצה. הלוח דמוי-Arduino‏ מגדיר ומתקשר עם ה-AD5940 באמצעות SPI היקפי. קיים כלי ממשק משתמש גרפי (GUI) עבור מדידות עם יכולות גרפיקה ואיסוף נתונים עבור הערכה ראשונית. פרויקטים רבים לדוגמה שנכתבו ב-C משובץ כוללים הוראות כיצד להגדיר את סביבת התכנות ולהריץ את הדוגמאות.

דוגמה מס' 3: אימות נתונים:

נתונים המאוחסנים במיקומים שונים ומועברים באמצעות קישורי תקשורת אלחוטית שדה-קרוב (NFC) מעלים סוגיות הקשורות לאותנטיות הנתונים ואפילו לסיכון של שימוש חוזר, שימוש לרעה וזיוף דגימות או מחסניות.

כדי לטפל בחששות אלה, ה-Secure Authenticator‏ MAX66250‏ (איור 5, למעלה) מספק אמצעי נגד חסונים, כאשר כל הנתונים המאוחסנים מוגנים קריפטוגרפית מפני גילוי. הוא תואם למערכות משובצות התומכות ב-NFC (איור 5, למטה), שבהן הסיכון לגישה לא-מורשית גבוה יותר.

איור 5: ה-MAX66250 Secure Authenticator (למעלה) מספק מספר רמות של אבטחת נתונים מתקדמת ותמיכה באימות; והוא משלב גם ממשק NFC (למטה) להעברת נתונים אלחוטית. (מקור התמונה: Analog Devices)

המאמת המאובטח משלב אימות אתגור-ותגובה של אלגוריתם Secure Hash‏ (SHA-3) תואם FIPS 202‏ עם EEPROM מאובטח. ההתקן מספק סט ליבה של כלי הצפנה מתוך בלוקים משולבים, כולל מנוע SHA-3‏, bit‏-256‏ של EEPROM‏ משתמש מאובטח, מונה דקרמנטי-בלבד ומספר זיהוי ROM‏ bit‏-64‏ (ROM ID‏) ייחודי. מזהה ה-ROM הייחודי הוא פרמטר כניסה בסיסי עבור פעולות הצפנה ומשמש כמספר סידורי אלקטרוני בתוך היישום. ההתקן מתקשר דרך ממשק RF התואם לתקן ISO/IEC 15693‏.

עבור קישורים חוטיים, ה-Secure SHA-3 Authenticator‏ Wire‏-1‏ DS28E16Q+U‏ מספק את אותם כלי הצפנה כמו אלו של ה-MAX66250‏, כולל ROM ID‏ ייחודי.

דוגמה מס' 4: בקרת תנועה/מנוע:

התקנים ותחנות PoC רבים דורשים תנועה מבוקרת בקפידה כדי להעביר פסי בדיקה או מבחנה בין תחנות, לשלב ולהעביר ריאגנטים, או להוסיף או להנפיק כמויות מדויקות של נוזלים ולבצע פיפטה. יישומים אלה דורשים לעתים קרובות מיקרו-צעדים מדויקים ועצירות, התנעות ומדרגות חלקות כדי לספק תנועה ברזולוציה גבוהה וללא רעידות עבור תנועות מהירות, מדויקות, אמינות, שקטות, ניתנת לשחזור וחסכוניות באנרגיה.

בקר מנוע צעד עם ערוץ או שני ערוצים TMC5072-LA-T‏ של Trinamic‏ ודוחף IC‏ (איור 6‏, למעלה) עם ממשקי תקשורת טורית הם מתאימים עבור יישומים אלו. כאשר הוא מחווט לפעולה מקבילית, הוא מציע יכולת דחיפת זרם-סליל של 1.1/1.5 אמפר (A) שיא לכל מנוע ו- A‏ 2.2/3‏ שיא עבור מנוע אחד.

עבור פעולה בסיסית, ערכת ההערכה TMC5072-BOB‏ הנלווית (איור 6, למטה) כוללת TMC5072 מובנה ומתחברת ל-Arduino Mega‏ באמצעות מקלט/משדר א-סינכרוני אוניברסלי חד-חוטי (UART). ממשק משתמש גרפי (GUI) מספק כלים להגדרה קלה של פרמטרים, הצגת נתונים בזמן-אמת ופיתוח וניפוי שגיאות של יישומים עצמאיים.

איור 6: בקר מנוע צעדעם ערוץ אחד או שני ערוצים TMC5072-LA-T ו-IC‏ דוחף ובקר (למעלה) מעניק ביצועים מדויקים ופעולה חלקה; הוא נתמך על ידי ערכת ההערכה TMC5072-BOB (למטה). (מקור התמונה: Analog Devices)

ה-TMC5072 משלב מחוללי מדרגה גמישים עבור מיקום אוטומטי של מטרות ומציע פעולה שקטה, נצילות מקסימלית ומומנט מנוע גבוה. ה-IC‏ של 7‏ ×‏ 7‏ מ"מ מציע מאפיינים מתקדמים נוספים:

• StealthChop עבור פעולה שקטה ותנועה חלקה ביותר
• קוצץ (Chopper‏) לבקרת מנועים דינמי ביותר SpreadCycle‏
• DCStep‏ עבור בקרת מהירות תלוית-עומס
• גילוי עומס מנוע ללא-חיישנים מדויק ביותר של StallGuard2‏
• בקרת זרם CoolStep‏ עבור חיסכון אנרגיה של עד 75%

כמובן, התקן בקרת תנועה יחיד אינו אופטימלי עבור כל צורכי מערכת PoC, לא משנה כמה עמוס בתכונות ובפונקציונליות. מסיבה זו, Analog Devices מציעה מגוון רחב של ICs‏ הקשורים למנועים ולפונקציות תמיכה עבור PoC, כולל:

• TMC4671-LA: בקר סרוו משולב המעניק בקרה מוכוונת-שדה (FOC) עבור מנועים סינכרוניים DC/מגנט קבוע ללא-מברשות (BLDC/PMSM) ומנועי צעד דו-פאזיים
• TMC4671-LEV-REF‏: תכן ייחוס עבור TMC4671 עם דוחף סרוו BLDC
• TMC5240ATJ+T‏: בקר מנוע צעד חכם ובעל ביצועים גבוהים ו-IC‏ ודוחף ובקר מנוע צעד עם ממשקי תקשורת טוריים (גרסת ציר יחיד של TMC5072)
• TMC4361A-LA-T: בקר תנועה עבור מנועי צעד, המציע העלאה הדרגתית בצורת S ביישומי פרופיל תנועה מהיר ומוגבלי זינוקים
• TMC2240ATJ-T: דוחף צעד משולב חכם עם ממשקי צעד/כיוון ו-SPI.

סיכום

שילוב של גורמים מניע בדיקות והערכות רפואיות רבות לעבר מודל PoC מקומי יותר ובעל תגובה מהירה. ICs‏ משולבים-ביותר וממוקדי-יישום כגון AFEs‏, בקרת תנועה, ואימות מאפשרים מגמה זו. Analog Devices מציעה מגוון רחב של התקנים בעלי ביצועים גבוהים והספק נמוך, המותאמים עבור יישומים אלו ועומדים בדרישות הטכניות והרגולטוריות. הם גם מעניקים את הגמישות ויכולת השדרוג הנדרשים מפלטפורמה מובטחת-עתיד.

תוכן קשור

• פתרונות דיאגנוסטיקה נקודת-טיפול (PoC‏)
• תוצאות בתוך דקות: כיצד בדיקות בנקודת-טיפול (POCT) מהירות משנה את עולם הדיאגנוסטיקה
• כיצד מקלטים אופטיים משולבים הופכים מכשירים בנקודת-הטיפול מובטחים-לעתיד
• כל הנדרש עבור מדידות אימפדנס
• AN-1563: אופטימיזציה של ה-AD5940 עבור מדידות אלקטרוכימיות
• מודול בקרת מנועי צעד של Trinamic מסייע במאבק במלריה
• פתרונות אוטומציה במעבדה בעלי ביצועים גבוהים עבור טולרנסים הדוקים
• כיצד אימות אלקטרוני מאובטח מפחית סיכונים בנקודת-הטיפול