Hartzorg revolutioneren met IoMT: Continue monitoring voor betere uitkomsten

Volgens de Centers for Disease Control (CDC) sterven jaarschijnlijk 610.000 mensen in de VS aan hartziektes - dat is één op de vier overlijdens. Hartgezondheid is een van de belangrijkste parameters voor een persoon's algehele gezondheid. Het internet of medical things (IoMT) maakt een nieuwe generatie draagbare, multi-parameter, continue cardiale monitoring-systemen mogelijk om gezondheidszorgbeheer te verbeteren in diverse ziekenhuis-, kliniek-, patiëntenzorg- en thuismilieus.

De IoMT is een verbonden infrastructuur voor medische apparaten en diensten die data verzamelen en analyseren die naar gezondheidszorgaanbieders wordt gestuurd. Vandaag omvatten deze apparaten sensoren die temperatuur, vochtigheid en trilling meten, evenals algoritmen die een beperkt aantal hartcondities identificeren.

Next-generation ontwerpen kijken ernaar om parameters toe te voegen die een breder bereik van arythmieën zouden identificeren met slimme en complexere algoritmen. Bijvoorbeeld, disposable "patches" die onzichtbare pleisters lijken met een paar heel kleine IC's kunnen comfortabel op de huid gedragen worden voor langere tijd om cardiale gezondheid te monitoren en beheren.

Verbonden cardiale monitoring-systemen zullen drie hoofdelementen omvatten: Draagbare draadloze sensor-knooppunten, een databeheerdienst en cloud-gebaseerde analytische platforms.

Het electrocardiogram (ECG) sensor-knooppunt (bijv. ECG-patch of hartslag-monitorende conductieve kleding) en databeheerdienst verzamelen cardiale data van het draagbare apparaat in een datacenter. Het sensor-knooppunt is typisch een een- of drie-leads ECG-monitoringapparaat met maximaal drie elektroden (nat of droog) bevestigd aan de elektronica op de patch.

Het cloud-gebaseerde platform verzamelt en analyseert de cardiale data met complexe algoritmen en kunstmatige intelligentie (AI) engines om potentiële abnormale hartfunctionaliteiten te identificeren. De resultaten kunnen aan het patiëntendossier worden toegevoegd en beschikbaar gemaakt worden voor de aangewezen gezondheidszorgorganisatie en de behandelende cardioloog.

Analoge front-ends

Het ECG-signaalconditioneringspad (Fig. 1) omvat de analoge trap, die gebruikt wordt om het analoge golfvorm te voelen, te versterken en op te schonen. De ECG-signaalamplitude varieert van honderden microvolts tot ongeveer 5 millivolt. Het signaal omvat laag-frequente (50/60 Hz) ruis gekoppeld van netlijnen, hoge-frequente ruis van lichaamsspieren en vaak RF-ruis van verschillende apparaten in de buurt van het apparaat. In het geval van draagbare apparaten, zou de ECG-signaalbasislijn ongewenste fluctuatie hebben door bewegingsartefacten.

Daarom worden vaak hoog-complexe analoge front-ends (AFE) gebruikt om ECG-signalen op te schonen en te digitaliseren. De AFE omvat EMI-filters om RF-ruis te verwijderen; een high-pass filter met een typische 0,5-Hz hoekfrequentie om de basislijnfluctuatie te verwijderen; een low-pass filter met een typische 150-Hz hoekfrequentie om out-of-band signaal te filteren; een notch-filter om 50/60 Hz ruis te filteren; een laag-ruis programmeerbare instrumentatieversterker om het signaal te versterken, en een analog-naar-digitale converter om het signaal te digitaliseren voor post-verwerking van de bemonsterde data.

Fig. 1: Typisch IoMT verbonden cardiale monitoring sensor-knooppunt en het gerelateerde signaalpad.

Een cruciale vereiste voor de AFE is het behoud van de kenmerken van de ECG-golfvorm van de patiënt door het hele signaalpad. Dit wordt bereikt door de effecten van ruis en onnauwkeurigheden (bijv. versterkingsfout, offsetfout, etc.) door het hele signaalpad onder alle operatieve condities te minimaliseren.

High-performance MCUs

De volgende trap in het pad is een microcontroller (MCU) voor post-verwerking en/of housekeeping van de gedigitaliseerde ECG-data. Afhankelijk van het type draagbare monitoring-apparaat, zou de bemonsterde ruwe ECG-data in de draagbare sensor ofwel on-the-fly geanalyseerd worden om de meest voorkomende cardiale arythmieën te detecteren en dan opgeslagen in het non-volatile geheugen in het systeem, of opgeslagen in het geheugen voor off-line analyse aan het einde van de levensduur van het apparaat.

De eerste benadering wordt genomen in de nieuwere generatie disposable draagbare ECG's, wat hogere-prestatie MCUs met een DSP-engine en hogere code/data-opslaggeheugen vereist om diverse veelvoorkomende arythmieën nauwkeurig on-the-fly te detecteren naast het opslaan van grotere hoeveelheden ruwe data voor post-verwerking. Additionele vereisten omvatten kleinere footprint elektronica, precisie AFE's en lager stroomverbruik.

Het additionele geheugen en hogere prestaties van de MCU introduceren uitdagingen in vermogensprestaties en die-grootte. Deze uitdagingen moeten worden aangepakt door geavanceerde low-power procesknooppunten met kleine celgeometrie te benutten, en door power-management-functies op te nemen om efficiënte power-management-schema's op systeemniveau toe te laten.

De systeem-MCU moet laag verbruik per operatiefrequentie hebben (beter dan 50 µA/MHz) en een verscheidenheid aan operatiemodes met schaalbare frequentie omvatten om flexibel power-management op systeemniveau toe te laten. Een veelvoorkomende methode omvat het cyclen van de MCU "aan" en "uit" met een profiel gebaseerd op enkele custom proprietary usage-modellen van het systeem.

Aangezien de radio en het MCU het stroomverbruik in het systeem domineren, moet hun gebruik zo laag mogelijk zijn. Om stroomverbruik tijdens het power-cyclingsproces te beperken, moet de MCU sub-microamp stroomverbruik in standby-operatiemodus bieden en een heel snelle overgangstijd (niet meer dan een paar microseconden) van standby naar de normale operatiemode hebben om schakelingsvermogensverliezen te minimaliseren.

De nieuwere AFE's worden vereist om continu te opereren bij lager stroomverbruik (typisch onder 100 µW) en toegewijde low-power digitale signaalverwerkingscircuits te bevatten (bijv. R-to-R piekperiode meting) naast het analoge signaalpad. Dit zou de hoeveelheid signaalverwerking door de MCU verlagen. In het algemeen dragen functies zoals verbeterde diagnostiek, vitale-parameter monitoring en additionele signaalmeting (bijv. Bio-Z) bij aan de complexiteit van de AFE.

Ultra-laag-vermogen connectiviteit

De laatste trap van het signaalpad in het ECG-sensor-knooppunt is een of ander type laag-vermogen draadloze connectiviteit om communicatie met gateways zoals smartphones of custom sensor-hubs mogelijk te maken. Data-transmissie naar het cloud-platform en gezondheidszorgcentra kan ruwe ECG-data, mogelijke arythmie of normale ritme-informatie en enkele andere systeemparameters die tijdens de operatie gemeten worden, omvatten. Momenteel is laag-vermogen Bluetooth een van de meest gebruikte draadloze interfaces. NB-IoT en CAT-M type connectiviteit worden geëvalueerd voor toekomstig gebruik.

De trend naar kleiner vormfactor, meer kosteneffectief en significant langer durende disposable ECG-patches betekent een hogere integratieniveau voor het ultra-laag-vermogen signaalpad in een tiny system-on-chip (SoC) of system-in-package (SIP) apparaat. Sommige uitdagingen in de miniaturisering van de elektronica zijn de noodzaak voor een kosteneffectief halfgeleiderprocesknooppunt geschikt voor low-power precision mixed-signal (analog en digitaal) circuits, en de beschikbaarheid van een meer kosteneffectief kleine-footprint verpakkings technologie.

Ultra-laag-vermogen verbruik is een van de cruciale vereisten voor dit nieuwe type ECG-patch, aangezien het de continue cardiale signaal-monitoring/analyse-leven duur significant kan verlengen boven de huidige duur van zeven tot 15 dagen. Lager stroomverbruik stelt ontwikkelaars ook in staat om additionele vitale-tekenmonitoring op te nemen, wat hen een competitief voordeel geeft.

Momenteel gebruiken patches single-coin type batterijen met een typische capaciteit van diverse honderden mAh. Er zijn echter pogingen om kleinere, lagere capaciteit en meer kosteneffectieve batterijen te gebruiken gecombineerd met een energie-opeenmethode gebruikmakend van "batterij-loze" sensor-knooppunten gebaseerd op gespecialiseerde nieuwe halfgeleiderproces technologieën zoals silicon-on-thin-buried-oxide (SOTB) en sub-threshold processen.

De uitdaging van het overbrengen van energie-opeen-gebaseerde cardiale monitoring-patches van onderzoekslabs naar de markt is de beschikbaarheid van continue en consistente energiebronnen om op het gebruikspunt te oogsten. De industrie verkent het gebruik van bronnen zoals lichaamswarmte, trilling van beweeging, of toegewezen RF-energie in de omringende omgeving om deze cruciale uitdaging aan te pakken.

Ten slotte zou cardiale monitoring SoC-ontwerp succesvolle integratie van mixed-mode circuits op een heel klein stuk silicium vereisen zonder interferentie over de toegewezen grenzen in de layout. Dit zou specialistische ontwerpexpertise vereisen om de voortplanting van ruis gegenereerd door hoge-frequente schakelende digitale en RF-circuits naar de burende precisie analoge circuits te voorkomen.

De IoMT verschuift traditionele reactieve gezondheidszorg naar een meer betaalbaar preventief systeem met potentieel lagere kosten. Het combineren van vooruitgang in halfgeleider-, connectiviteits- en materiaalwetenschap-technologieën met de kracht van AI biedt potentieel voor levensveranderende toepassingen tot ten goede van de samenleving.

>> Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op onze zuster-site, Electronic Products: "Internet of medical things enables connected cardiac monitoring systems."

Ash Patel en Bahram Mirshab zijn bij het Healthcare Segment, Renesas Electronics America Inc.