Effectievere gezondheidszorg mogelijk maken met het internet der medische dingen

Volgens de Centers for Disease Control (CDC) sterven elk jaar ongeveer 610.000 mensen aan hartaandoeningen in de VS - dat is één op de vier sterfgevallen. Hartgezondheid is een van de belangrijkste parameters voor iemands algehele gezondheid. Het Internet of Medical Things (IoMT) maakt een nieuwe generatie draagbare, multiparameter, continue hartbewakingssystemen mogelijk om het zorgbeheer in verschillende ziekenhuis-, kliniek-, patiëntenzorg- en thuisomgevingen te verbeteren.

De IoMT is een verbonden infrastructuur voor medische apparaten en diensten die gegevens verzamelen en analyseren die naar zorgaanbieders worden gestuurd. Tegenwoordig bevatten deze apparaten sensoren die temperatuur, vochtigheid en trillingen meten, evenals algoritmen die een beperkt aantal hartaandoeningen identificeren.

Ontwerpen van de volgende generatie proberen parameters toe te voegen die een breder scala aan aritmieën kunnen identificeren met behulp van slimmere en complexere algoritmen. Wegwerpbare "pleisters" die lijken op onzichtbare verbanden met een paar zeer kleine IC's kunnen bijvoorbeeld langer comfortabel op de huid worden gedragen om de gezondheid van het hart te bewaken en te beheren.

Verbonden hartbewakingssystemen zullen drie hoofdelementen bevatten:draagbare draadloze sensornode(s), een gegevensbeheerservice en cloudgebaseerde analytische platforms.

Het elektrocardiogram (ECG)-sensorknooppunt (bijv. ECG-patch of geleidende kleding voor hartslagmeting) en de gegevensbeheerservice verzamelen hartgegevens van het draagbare apparaat in een datacenter. Het sensorknooppunt is meestal een ECG-bewakingsapparaat met één of drie afleidingen met maximaal drie elektroden (nat of droog) die zijn bevestigd aan de elektronica op de patch.

Het cloudgebaseerde platform verzamelt en analyseert de hartgegevens met behulp van complexe algoritmen en kunstmatige intelligentie-engines (AI) om mogelijke abnormale hartfuncties te identificeren. De resultaten kunnen worden toegevoegd aan het medisch dossier van de patiënt en beschikbaar worden gesteld aan de aangewezen zorgorganisatie en de verantwoordelijke cardioloog.

Analoge front-ends

Het ECG-signaalconditioneringspad (Fig. 1 ) bevat de analoge fase, die wordt gebruikt om de analoge golfvorm te detecteren, te versterken en op te schonen. De amplitude van het ECG-signaal varieert van honderden microvolts tot ongeveer 5 millivolt. Het signaal omvat laagfrequente (50/60 Hz) ruis gekoppeld aan AC-lijnen, hoogfrequente ruis van lichaamsspieren en vaak RF-ruis van verschillende apparatuur in de buurt van het apparaat. In het geval van draagbare apparaten zou de basislijn van het ECG-signaal ongewenste fluctuaties hebben als gevolg van bewegingsartefacten.

Zo worden zeer complexe analoge front-ends (AFE) vaak gebruikt om ECG-signalen op te schonen en te digitaliseren. De AFE bevat EMI-filters om RF-ruis te verwijderen; een hoogdoorlaatfilter met een typische hoekfrequentie van 0,5 Hz om de basislijnfluctuatie te verwijderen; een laagdoorlaatfilter met een typische hoekfrequentie van 150 Hz om out-of-band-signalen te filteren; een notch-filter om 50/60 Hz-ruis te filteren; een geluidsarme programmeerbare instrumentatieversterker om het signaal te versterken, en een analoog-naar-digitaalomzetter om het signaal te digitaliseren voor nabewerking van de gesamplede gegevens.

Afb. 1:Typisch IoMT aangesloten hartbewakingssensorknooppunt en het bijbehorende signaalpad.

Een belangrijke vereiste voor de AFE is dat de kenmerken van de ECG-golfvorm van de patiënt gedurende het hele signaalpad behouden blijven. Dit wordt bereikt door de effecten van ruis en onnauwkeurigheden (bijv. versterkingsfout, offsetfout, enz.) door het hele signaalpad onder alle bedrijfsomstandigheden te minimaliseren.

Hoogwaardige MCU's

De volgende stap in het traject is een microcontroller (MCU) voor de nabewerking en/of het huishouden van de gedigitaliseerde ECG-gegevens. Afhankelijk van het type draagbare bewakingsapparaat, worden de bemonsterde onbewerkte ECG-gegevens in de draagbare sensor ofwel direct geanalyseerd om de meest voorkomende hartritmestoornissen te detecteren en vervolgens opgeslagen in het niet-vluchtige geheugen in het systeem, of opgeslagen in het geheugen voor offline analyse aan het einde van de levensduur van het apparaat.

De eerste benadering wordt gevolgd in de nieuwere generatie draagbare ECG's voor eenmalig gebruik, die krachtigere MCU's met een DSP-engine en een hoger code-/gegevensopslaggeheugen nodig hebben om verschillende veelvoorkomende aritmieën onmiddellijk nauwkeurig te detecteren, naast het opslaan van grotere hoeveelheden onbewerkte gegevens voor post verwerken. Aanvullende vereisten zijn onder meer elektronica met een kleinere footprint, nauwkeurige AFE's en een lager stroomverbruik.

Het extra geheugen en de hogere prestaties van de MCU introduceren uitdagingen op het gebied van stroomprestaties en de grootte van de matrijs. Deze uitdagingen moeten worden aangepakt door gebruik te maken van geavanceerde, energiezuinige procesknooppunten met een kleine celgeometrie en door functies voor energiebeheer op te nemen om efficiënte energiebeheerschema's op systeemniveau mogelijk te maken.

De systeem-MCU moet een laag verbruik per bedrijfsfrequentie hebben (beter dan 50 µA/MHz) en een verscheidenheid aan bedrijfsmodi met schaalbare frequentie bevatten om flexibel energiebeheer op systeemniveau mogelijk te maken. Een veelgebruikte methode houdt in dat de MCU "aan" en "uit" wordt geschakeld met een profiel dat is gebaseerd op een aantal aangepaste eigen gebruiksmodellen van het systeem.

Aangezien de radio en de MCU het stroomverbruik in het systeem domineren, moet hun gebruik zo laag mogelijk zijn. Om het stroomverbruik tijdens het stroomcyclusproces te beperken, moet de MCU een stroomverbruik van minder dan een microampère leveren in de stand-bymodus en een zeer snelle overgangstijd (niet meer dan een paar microseconden) van stand-by naar de normale bedrijfsmodus hebben om schakelvermogensverliezen te minimaliseren .

De nieuwere AFE's moeten continu werken met een lager stroomverbruik (meestal minder dan 100 W) en bevatten naast het analoge signaalpad speciale low-power digitale signaalverwerkingscircuits (bijv. R-naar-R-piekperiodemeting). Dit zou de hoeveelheid signaalverwerking door de MCU verminderen. Over het algemeen dragen functies zoals verbeterde diagnostiek, bewaking van vitale functies en aanvullende signaalmeting (bijv. Bio-Z) bij aan de complexiteit van de AFE.

Ultra-low-power connectiviteit

De laatste fase van het signaalpad in het ECG-sensorknooppunt is een soort draadloze connectiviteit met laag vermogen om communicatie met gateways zoals smartphones of aangepaste sensorhubs mogelijk te maken. Gegevensoverdracht naar het cloudplatform en zorgcentra kan onbewerkte ECG-gegevens, mogelijke aritmie of normale ritme-informatie bevatten, evenals enkele andere systeemparameters die tijdens de operatie worden gemeten. Momenteel is low-power Bluetooth een van de meest gebruikte draadloze interfaces. NB-IoT en CAT-M type connectiviteit worden geëvalueerd voor toekomstig gebruik.

De trend naar een kleinere vormfactor, meer kosteneffectieve en aanzienlijk duurzamere wegwerp-ECG-patches betekent een hoger niveau van integratie voor het ultra-low-power signaalpad in een klein systeem op chip (SoC) of systeem in pakket (SIP) apparaat . Enkele uitdagingen bij de miniaturisering van de elektronica zijn de behoefte aan een kosteneffectief halfgeleiderprocesknooppunt dat geschikt is voor low-power precisie mixed-signal (analoge en digitale) circuits, en de beschikbaarheid van een meer kosteneffectieve, kleine verpakkingstechnologie.

Een ultralaag stroomverbruik is een van de belangrijkste vereisten voor dit nieuwe type ECG-patch, omdat het de levensduur van continue hartsignaalbewaking/-analyse aanzienlijk kan verlengen tot voorbij de huidige duur van zeven tot 15 dagen. Een lager stroomverbruik stelt ontwikkelaars ook in staat om extra bewaking van vitale functies op te nemen, wat hen een concurrentievoordeel geeft.

Momenteel gebruiken patches batterijen van het type met één munt met een typische capaciteit van enkele honderden mAh. Er worden echter pogingen ondernomen om batterijen met een kleinere, lagere capaciteit en meer kosten te gebruiken in combinatie met een methode voor het oogsten van energie met behulp van "batterijloze" sensorknooppunten op basis van gespecialiseerde nieuwe halfgeleiderprocestechnologieën zoals silicium-op-dun-begraven-oxide ( SOTB) en subdrempelprocessen.

De uitdaging om op energie gebaseerde hartbewakingspatches over te zetten van onderzoekslaboratoria naar de markt, is de beschikbaarheid van continue en consistente energiebronnen om op het punt van gebruik te oogsten. De industrie onderzoekt het gebruik van bronnen zoals lichaamswarmte, trillingen door beweging of speciale RF-energie in de omgeving om deze belangrijke uitdaging aan te gaan.

Ten slotte zou het ontwerp van de SoC voor hartbewaking de succesvolle integratie van mixed-mode-circuits op een heel klein stukje silicium vereisen zonder interferentie over de toegewezen grenzen in de lay-out. Dit zou speciale ontwerpexpertise vereisen om de verspreiding van ruis die wordt gegenereerd door hoogfrequent schakelende digitale en RF-circuits naar de naburige nauwkeurige analoge circuits te voorkomen.

Het IoMT verschuift traditionele reactieve gezondheidszorg naar een meer betaalbaar preventief systeem met mogelijk lagere kosten. Het combineren van vooruitgang in halfgeleider-, connectiviteits- en materiaalwetenschappelijke technologieën met de kracht van AI biedt het potentieel voor levensveranderende toepassingen voor de verbetering van de samenleving.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, Electronic Products:"Internet of medical things maakt aangesloten hartbewakingssystemen mogelijk."

Ash Patel en Bahram Mirshab maken deel uit van het Healthcare Segment, Renesas Electronics America Inc.