Memungkinkan perawatan kesehatan yang lebih efektif dengan internet hal medis

Menurut Centers for Disease Control (CDC), sekitar 610.000 orang meninggal karena penyakit jantung di AS setiap tahun - itu satu dari setiap empat kematian. Kesehatan jantung adalah salah satu parameter terpenting untuk kesehatan seseorang secara keseluruhan. Internet of medical things (IoMT) memungkinkan generasi baru sistem pemantauan jantung berkelanjutan multiparameter yang dapat dipakai untuk meningkatkan manajemen perawatan kesehatan di berbagai rumah sakit, klinik, perawatan pasien, dan lingkungan rumah.

IoMT adalah infrastruktur terhubung untuk perangkat dan layanan medis yang mengumpulkan dan menganalisis data yang dikirim ke penyedia layanan kesehatan. Saat ini, perangkat ini menyertakan sensor yang mengukur suhu, kelembapan, dan getaran, serta algoritme yang mengidentifikasi sejumlah kondisi jantung.

Desain generasi berikutnya ingin menambahkan parameter yang akan mengidentifikasi rentang aritmia yang lebih luas menggunakan algoritme yang lebih cerdas dan lebih kompleks. Misalnya, "tambalan" sekali pakai yang menyerupai perban tak terlihat dengan beberapa IC yang sangat kecil dapat dikenakan dengan nyaman di kulit untuk waktu yang lebih lama untuk memantau dan mengelola kesehatan jantung.

Sistem pemantauan jantung yang terhubung akan mencakup tiga elemen utama:node sensor nirkabel yang dapat dipakai, layanan manajemen data, dan platform analitik berbasis cloud.

Node sensor elektrokardiogram (EKG) (misalnya patch EKG atau pakaian konduktif pemantau detak jantung) dan layanan manajemen data mengumpulkan data jantung dari perangkat yang dapat dikenakan di pusat data. Node sensor biasanya merupakan perangkat pemantauan EKG satu atau tiga sadapan dengan hingga tiga elektroda (basah atau kering) yang terpasang pada elektronik pada tambalan.

Platform berbasis cloud mengumpulkan dan menganalisis data jantung menggunakan algoritme kompleks dan mesin kecerdasan buatan (AI) untuk mengidentifikasi potensi fungsi jantung abnormal. Hasilnya dapat ditambahkan ke catatan medis pasien dan tersedia untuk organisasi perawatan kesehatan yang ditunjuk dan ahli jantung yang bertanggung jawab.

Analog ujung depan

Jalur pengkondisian sinyal EKG (Gbr. 1 ) termasuk tahap analog, yang digunakan untuk merasakan, memperkuat, dan membersihkan bentuk gelombang analog. Amplitudo sinyal EKG berkisar dari ratusan mikrovolt hingga sekitar 5 milivolt. Sinyal tersebut mencakup noise frekuensi rendah (50/60 Hz) yang digabungkan dari saluran AC, noise frekuensi tinggi dari otot tubuh, dan seringkali noise RF dari peralatan yang berbeda di dekat perangkat. Dalam hal perangkat yang dapat dikenakan, garis dasar sinyal EKG akan memiliki fluktuasi yang tidak diinginkan karena artefak gerak.

Dengan demikian, ujung depan analog yang sangat kompleks (AFE) sering digunakan untuk membersihkan dan mendigitalkan sinyal EKG. AFE menyertakan filter EMI untuk menghilangkan noise RF; filter lolos tinggi dengan frekuensi sudut 0,5 Hz yang khas untuk menghilangkan fluktuasi garis dasar; filter low-pass dengan frekuensi sudut 150-Hz khas untuk menyaring sinyal out-of-band; filter takik untuk menyaring kebisingan 50/60 Hz; penguat instrumentasi bersuara rendah yang dapat diprogram untuk memperkuat sinyal, dan konverter analog-ke-digital untuk mendigitalkan sinyal untuk pemrosesan pasca data sampel.

Gbr. 1:Node sensor pemantauan jantung terhubung IoMT dan jalur sinyal terkait.

Persyaratan utama untuk AFE adalah mempertahankan karakteristik bentuk gelombang EKG dari pasien di sepanjang jalur sinyal. Hal ini dicapai dengan meminimalkan efek kebisingan dan ketidakakuratan (mis., kesalahan penguatan, kesalahan offset, dll.) di seluruh jalur sinyal dalam semua kondisi pengoperasian.

MCU berperforma tinggi

Tahap selanjutnya dalam jalur ini adalah mikrokontroler (MCU) untuk pemrosesan pasca dan/atau pemeliharaan data EKG digital. Bergantung pada jenis perangkat pemantau yang dapat dikenakan, sampel data EKG mentah di sensor yang dapat dikenakan akan dianalisis dengan cepat untuk mendeteksi aritmia jantung yang paling umum dan kemudian disimpan dalam memori nonvolatil dalam sistem, atau disimpan dalam memori untuk analisis offline di akhir masa pakai perangkat.

Pendekatan sebelumnya diambil dalam generasi terbaru EKG sekali pakai yang dapat dipakai, yang membutuhkan MCU berperforma lebih tinggi dengan mesin DSP dan memori penyimpanan kode/data yang lebih tinggi untuk secara akurat mendeteksi beberapa aritmia umum dengan cepat selain menyimpan data mentah dalam jumlah yang lebih besar untuk dikirim. pengolahan. Persyaratan tambahan mencakup elektronik tapak yang lebih kecil, AFE presisi, dan konsumsi daya yang lebih rendah.

Memori tambahan dan kinerja MCU yang lebih tinggi menghadirkan tantangan dalam kinerja daya dan ukuran die. Tantangan ini perlu diatasi dengan memanfaatkan node proses berdaya rendah yang canggih dengan geometri sel kecil, dan dengan menyertakan fitur manajemen daya untuk memungkinkan skema manajemen daya yang efisien di tingkat sistem.

MCU sistem harus memiliki konsumsi rendah per frekuensi pengoperasian (lebih baik dari 50 A/MHz) dan menyertakan berbagai mode pengoperasian dengan frekuensi yang dapat diskalakan untuk memungkinkan manajemen daya yang fleksibel di tingkat sistem. Metode yang sangat umum melibatkan siklus "hidup" dan "mati" MCU dengan profil yang didasarkan pada beberapa model penggunaan khusus sistem.

Karena radio dan MCU mendominasi konsumsi daya dalam sistem, penggunaannya harus serendah mungkin. Untuk membatasi konsumsi daya selama proses siklus daya, MCU harus menyediakan konsumsi arus sub-mikroamp dalam mode operasi siaga dan memiliki waktu transisi yang sangat cepat (tidak lebih dari beberapa mikrodetik) dari siaga ke mode operasi normal untuk meminimalkan rugi-rugi daya switching. .

AFE yang lebih baru diperlukan untuk beroperasi terus menerus pada konsumsi daya yang lebih rendah (biasanya di bawah 100 W) dan menyertakan sirkuit pemrosesan sinyal digital berdaya rendah khusus (misalnya pengukuran periode puncak R-ke-R) selain jalur sinyal analog. Ini akan menurunkan jumlah pemrosesan sinyal oleh MCU. Secara umum, fitur seperti diagnostik yang disempurnakan, pemantauan parameter tanda vital, dan pengukuran sinyal tambahan (misalnya Bio-Z) berkontribusi pada kompleksitas AFE.

Konektivitas daya sangat rendah

Tahap terakhir dari jalur sinyal di node sensor EKG adalah beberapa jenis konektivitas nirkabel berdaya rendah untuk memungkinkan komunikasi ke gateway seperti smartphone atau hub sensor khusus. Transmisi data ke platform cloud dan pusat layanan kesehatan dapat mencakup data EKG mentah, kemungkinan aritmia atau informasi ritme normal serta beberapa parameter sistem lainnya yang diukur selama operasi. Saat ini, Bluetooth berdaya rendah adalah salah satu antarmuka nirkabel yang paling umum digunakan. Jenis konektivitas NB-IoT dan CAT-M sedang dievaluasi untuk penggunaan di masa mendatang.

Tren ke arah faktor bentuk yang lebih kecil, lebih hemat biaya, dan patch EKG sekali pakai yang secara signifikan lebih tahan lama berarti tingkat integrasi yang lebih tinggi untuk jalur sinyal berdaya sangat rendah dalam perangkat system on chip (SoC) atau system in package (SIP) yang kecil . Beberapa tantangan yang dihadapi dalam miniaturisasi elektronik adalah perlunya node proses semikonduktor hemat biaya yang cocok untuk sirkuit sinyal campuran presisi daya rendah (analog dan digital), dan ketersediaan teknologi pengemasan tapak kecil yang lebih hemat biaya.

Konsumsi daya yang sangat rendah adalah salah satu persyaratan utama untuk jenis patch EKG baru ini, karena dapat secara signifikan meningkatkan masa pakai pemantauan/analisis sinyal jantung terus-menerus di luar durasi saat ini dari tujuh hingga 15 hari. Konsumsi daya yang lebih rendah juga memungkinkan pengembang menyertakan pemantauan tanda vital tambahan, yang memberi mereka keunggulan kompetitif.

Saat ini, tambalan menggunakan baterai tipe koin tunggal dengan kapasitas tipikal beberapa ratus mAh. Namun, ada upaya untuk menggunakan baterai yang lebih kecil, berkapasitas lebih rendah, dan lebih hemat biaya yang dikombinasikan dengan metode pemanenan energi menggunakan node sensor "tanpa baterai" berdasarkan teknologi proses semikonduktor baru yang khusus seperti silikon-pada-tipis-dikubur-oksida ( SOTB) dan proses sub-ambang.

Tantangan dalam mentransisikan patch pemantauan jantung berbasis pemanenan energi dari laboratorium penelitian ke pasar adalah ketersediaan sumber energi yang berkelanjutan dan konsisten untuk dipanen di titik penggunaan. Industri sedang menjajaki penggunaan sumber seperti panas tubuh, getaran dari gerakan, atau energi RF khusus di lingkungan sekitar untuk mengatasi tantangan utama ini.

Terakhir, desain SoC pemantauan jantung akan membutuhkan pengintegrasian sirkuit mode campuran yang berhasil pada sepotong silikon yang sangat kecil tanpa gangguan melintasi batas yang dialokasikan dalam tata letak. Ini akan membutuhkan keahlian desain khusus untuk mencegah penyebaran kebisingan yang dihasilkan oleh frekuensi tinggi switching sirkuit digital dan RF ke sirkuit analog presisi tetangga.

IoMT menggeser layanan kesehatan reaktif tradisional ke sistem pencegahan yang lebih terjangkau dengan biaya yang berpotensi lebih rendah. Menggabungkan kemajuan dalam semikonduktor, konektivitas, dan teknologi ilmu material dengan kekuatan AI menawarkan potensi aplikasi yang mengubah hidup untuk kemajuan masyarakat.

>> Artikel ini awalnya diterbitkan pada situs saudara kami, Produk Elektronik:“Internet hal medis memungkinkan sistem pemantauan jantung yang terhubung.”

Ash Patel dan Bahram Mirshab bekerja di Segmen Perawatan Kesehatan, Renesas Electronics America Inc.