Kecerdasan buatan (AI) telah mampu memperoleh wawasan yang lebih mendalam dari pemeriksaan pasien dan data uji coba, sehingga meningkatkan kemampuan diagnostik dan meningkatkan kemampuan analisis prediktif dan tren. Langkah berikutnya adalah memigrasikan pengujian medis dan analisis sampel berbasis AI dari laboratorium ke kantor dokter, klinik, atau rumah. Metode pemantauan samping tempat tidur (PoC) ini dapat dengan cepat menilai kondisi medis, mengurangi beban pasien, dan memungkinkan pengujian yang lebih sering untuk memberikan data yang lebih baik dan mendeteksi tren yang mengkhawatirkan dengan lebih cepat.
Untuk mencapai PoC yang digerakkan oleh AI, perlu menggunakan IC multifungsi yang dioptimalkan untuk aplikasi dengan front-end analog canggih (AFE) untuk berinteraksi dengan berbagai biosensor guna akuisisi dan pengukuran data yang diperlukan. IC ini harus memenuhi persyaratan karakteristik unik dari pengukuran elektrokimia, biologi, dan pengukuran terkait yang kompleks, termasuk akurasi, konsumsi daya rendah, dan fungsionalitas yang sangat terintegrasi. Mereka juga harus mengandalkan teknologi keamanan canggih untuk memastikan privasi data.
Artikel ini akan mengeksplorasi tren transformasi PoC dan dampaknya terhadap desain, kemudian menjelaskan skenario pengukuran AFE yang banyak digunakan, dan memperkenalkan contoh solusi Perangkat Analog yang dapat memenuhi persyaratan pengukuran dan keamanan PoC.
Mengapa kita membutuhkan PoC sekarang?
Faktor pendorong peningkatan deteksi PoC dan pemrosesan sampel meliputi: permintaan akan diagnosis medis yang lebih banyak dan lebih baik untuk meningkatkan kondisi kesehatan individu; Mengembangkan wawasan tentang kebutuhan penuaan, penyakit, dan perubahan penyakit berdasarkan populasi. Peraturan perundang-undangan mendorong atau bahkan mewajibkan lebih banyak pengujian, yang harus dilakukan dengan biaya lebih rendah dan mengurangi waktu pengujian dan waktu tunggu. Selain itu, terdapat kecenderungan untuk menerapkan lebih banyak PoC lokal di klinik atau rumah untuk meminimalkan gangguan dan biaya bagi pasien, sehingga memerlukan instrumen yang sederhana namun kuat.
Pada saat yang sama, AI berkembang pesat, memungkinkan data ini digunakan untuk analisis dan prediksi yang lebih mendalam.
Faktor-faktor komprehensif ini menciptakan permintaan dan peluang untuk sirkuit berbasis IC yang kompleks yang perlu dioptimalkan sesuai dengan persyaratan unik akuisisi dan pengelolaan data pengujian medis. IC jenis ini adalah antarmuka front-end yang menghubungkan cairan tubuh pasien dengan sistem, bertanggung jawab untuk menangkap dan merekam data dari berbagai sensor, mengevaluasinya, dan melaporkan data akhir (Gambar 1).
Diagram antarmuka utama antara tanda-tanda vital pasien dan cairan tubuh serta instrumen PoC dan sistem data terkait (klik untuk memperbesar)
Gambar 1: Simulasi dan perangkat elektronik terkait berfungsi sebagai antarmuka komunikasi penting antara tanda-tanda vital pasien dan cairan tubuh, serta instrumen PoC dan sistem data terkait. (Sumber gambar: Perangkat Analog)
IC terdiversifikasi yang berorientasi pada aplikasi harus mampu mengatasi berbagai tantangan
Kita dapat menggunakan beberapa contoh untuk menggambarkan situasi ini dengan jelas:
Contoh 1: Oksimetri nadi dan monitor detak jantung:
Saturasi oksigen darah (SpO2) dan detak jantung merupakan indikator pengukuran kesehatan dasar yang penting. Parameter pertama memberikan contoh paling jelas tentang bagaimana teknologi optik dan elektronik dapat mengubah ekspektasi PoC. Satu-satunya cara untuk mengukur SpO2 adalah dengan mengambil sampel darah dari perawat dan mengirimkannya ke laboratorium untuk diuji.
Kini, dengan teknologi optik elektronik yang sudah mapan sejak beberapa dekade lalu, LED, sensor cahaya, dan algoritme di ujung jari dapat memberikan pembacaan DIY yang cepat dalam hitungan detik. Selain itu, susunan sensor fotolistrik LED yang sama juga dapat memberikan informasi detak jantung.
Sistem sensor LED dan fotolistrik yang lebih canggih memberi kita kinerja dan fungsionalitas lebih. Ada beberapa IC yang dirancang khusus untuk aplikasi ini, seperti MAX86171 (Gambar 2, atas), yang merupakan sistem akuisisi data optik berdaya sangat rendah dengan saluran transmisi dan penerimaan. Meskipun memiliki kompleksitas internal, hanya beberapa komponen terpisah yang perlu dikonfigurasi dalam aplikasi (Gambar 2, bawah).
MAX86171 multi-saluran, daya ultra-rendah, sistem akuisisi data optik dari Perangkat Analog (klik untuk memperbesar)
Gambar 2: Sistem akuisisi data optik multi-saluran, daya sangat rendah, MAX86171 (gambar atas) menyederhanakan perkabelan eksternal dan kebutuhan komponen tambahan pasif dengan fungsi internal yang sangat terintegrasi (gambar bawah). (Sumber gambar: Perangkat Analog)
Di sisi pemancar, MAX86171 dilengkapi dengan 9 pin keluaran driver LED yang dapat diprogram, masing-masing terhubung ke 3 driver LED 8-bit arus tinggi. Di sisi penerima, MAX86171 dilengkapi dengan dua sirkuit front-end integrasi muatan dan pembatalan cahaya sekitar (ALC) dengan kebisingan rendah, membentuk sistem akuisisi data berkinerja tinggi berbasis optik dan sangat terintegrasi.
Selain data SpO2 dan detak jantung, IC ini juga dapat mengevaluasi variabilitas detak jantung, hidrasi tubuh, saturasi oksigen otot dan jaringan (SmO2 dan StO2), serta konsumsi oksigen maksimum (VO2 max).
Harap dicatat bahwa indikator kinerja dan prioritas aplikasi medis berbeda dengan situasi non-medis. Karena tingkat cahaya yang relatif rendah, kebisingan latar belakang absolut dari front-end optik merupakan parameter utama, bukan rasio signal-to-noise (SNR).
Meskipun dalam bidang biomedis, bandwidth sinyal dan laju pengambilan sampel biasanya sangat rendah karena parameter yang relevan tidak berubah pada laju beberapa kilohertz, sifat analog kompleks pasien dan sinyal memerlukan urutan prioritas yang berbeda dalam hal spesifikasi. Fitur-fitur ini mencakup sensitivitas tinggi, rentang dinamis lebar, dan kebisingan rendah agar berhasil mengatasi lingkungan tidak tetap yang terus berubah. Dalam lingkungan ini, kulit dan organ dalam pasien akan terus bergerak, bahkan gerakan sekecil apa pun dapat menyebabkan perubahan pada area kontak dan kekuatan kontak. Selain itu, karakteristik tersebut juga dipengaruhi oleh berbagai gangguan, kebisingan, dan perubahan sehingga menjadikan permasalahan semakin kompleks.
Untuk memenuhi persyaratan aplikasi, rentang dinamis MAX86171 adalah antara 91 dan 110 desibel (dB), bergantung pada tata letak pengujian. Resolusinya 19,5 bit, kebisingan arus gelap kurang dari 50 picoamps (pA) (nilai efektif), dan koefisien penekanan cahaya sekitar pada 120 hertz (Hz) lebih baik dari 70 dB.
Contoh 2: Metode potensiometri, metode analisis arus, metode pengukuran volt ampere, dan pengukuran impedansi:
Saat ini, insinyur kelistrikan dapat dengan mahir mengukur tegangan, arus, impedansi, dan keterkaitannya menggunakan berbagai instrumen standar. Namun, pengukuran ini memiliki persyaratan dan keterbatasan unik dalam lingkungan kimia dan biologis, serta menyajikan skenario pengukuran yang berbeda:
Metode potensiometri: menggunakan potensiostat untuk mengukur potensial antara dua elektroda untuk menentukan konsentrasi zat dalam suatu larutan
Metode analisis arus: menggunakan alat pengukur arus untuk mendeteksi ion-ion dalam suatu larutan berdasarkan arus atau perubahan arus
Metode voltametri: Menerapkan kurva tegangan tertentu yang bervariasi dari waktu ke waktu ke elektroda kerja dan mengukur arus yang dihasilkan oleh sistem, biasanya menggunakan potensiostat untuk pengukuran
Impedansi: Mengukur hubungan arus tegangan antara kulit dan tubuh
Untuk mengevaluasi parameter ini, AD5940 menawarkan berbagai fungsi dan opsi antarmuka dalam paket WLCSP 56 bola berukuran 3,6 × 4,2 milimeter (mm) (Gambar 3). AFE berdaya rendah ini memiliki banyak fungsi dan antarmuka, dirancang khusus untuk aplikasi portabel yang memerlukan teknik pengukuran elektrokimia presisi tinggi seperti pengukuran ampere, volt ampere, atau impedansi.