استخدام AFE المرن وتقنية التحكم في الحركة والرقائق المعتمدة لإنشاء نظام تشخيص بجانب السرير

تنتقل موجة التحول من الاختبارات الطبية بجانب السرير (PoC) من المختبرات إلى العيادات السريرية ومؤسسات الرعاية الصحية المجتمعية، وحتى الأسر. ومن شأن هذا التحول أن يؤدي إلى تسريع سرعة التشخيص، وبالتالي تسريع رعاية المرضى، وتحسين الفعالية، وخفض التكاليف.

لتحقيق إثبات المفهوم (PoC)، تتمثل الخطوة الأولى في استخدام دائرة متكاملة محسنة للتطبيقات متعددة الوظائف مع واجهة أمامية تناظرية متقدمة (AFE) للتواصل مع أجهزة الاستشعار الحيوية المختلفة للحصول على البيانات الضرورية وقياسها. يجب أن تلبي كل دائرة متكاملة المتطلبات المميزة الفريدة للقياسات الكهروكيميائية والبيولوجية المعقدة وما يتصل بها من قياسات، بما في ذلك الدقة والاستهلاك المنخفض للطاقة والوظائف المتكاملة للغاية. وتتميز المنتجات النهائية الناجحة بالأداء الممتاز والمرونة العالية وقابلية الترقية، مما يساهم في تحقيق منصات تطلعية. يجب أيضًا أن تكون هذه المنتجات مجهزة بتحكم سلس ودقيق في الحركة والمصادقة المرحلية لضمان دقة البيانات وأمن الخصوصية.

سوف تستكشف هذه المقالة التحول الرئيسي نحو إثبات المفهوم (PoC) وتأثيره على التصميم، ثم تصف سيناريوهات قياس AFE المستخدمة على نطاق واسع، وتقدم الحلول المرنة التي يمكن أن توفرها الأجهزة التناظرية لتلبية متطلبات قياس إثبات المفهوم (PoC)، والتحكم في الحركة، والتحقق.

لماذا نحتاج إلى PoC الآن؟
هناك العديد من العوامل التي تدفع الطلب على إثبات المفهوم ومعالجة العينات، بما في ذلك الحاجة إلى التشخيص الطبي السريع لتحسين الظروف الصحية الفردية. تشجع اللوائح التنظيمية أو حتى تفرض المزيد من الاختبارات. يوجد حاليًا اتجاه لإجراء PoC بالقرب من العيادات أو المنازل لتقليل التأثير على المرضى وخفض التكاليف وتوفير الوقت. ولذلك، تتطلب مثل هذه الأنظمة استخدام أدوات ومعدات بسيطة وسهلة الاستخدام لكنها قوية لتحقيق هذه الأهداف.

بالنسبة لمصممي هذه الأنظمة، توفر AFE、 IC للتحكم في الحركة والتحقق من الهوية واجهة وسيطة يمكنها توصيل سوائل جسم المريض والعلامات الحيوية والأنظمة المطلوبة لالتقاط بيانات النتائج من أجهزة استشعار مختلفة وتسجيلها وتقييمها والإبلاغ عنها مباشرة. تعد هذه الأجهزة حجر الزاوية في بناء حلول التشخيص الكهروكيميائية والبصرية، وتتطلب مثل هذه الحلول لتوفير محركات قياس متوافقة مع مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار الحيوية والمواد الكيميائية، بالإضافة إلى منصة برمجية قابلة للترقية.

التفاعل بين العلامات الحيوية للمريض وسوائل الجسم وأدوات إثبات المفهوم وأنظمة البيانات ذات الصلة
الشكل 1: تعمل المحاكاة والأجهزة الإلكترونية ذات الصلة بمثابة واجهات اتصال مهمة بين العلامات الحيوية للمريض وسوائل الجسم، بالإضافة إلى أدوات PoC وأنظمة البيانات ذات الصلة. (مصدر الصورة: الأجهزة التناظرية)

ينبغي أن تكون الدوائر المتكاملة المتنوعة الموجهة نحو التطبيقات قادرة على مواجهة التحديات المختلفة
ويمكننا استخدام بعض الأمثلة لتوضيح هذه الحالة:

مثال 1: كشف التألق البصري (FLD):

من خلال هذه التكنولوجيا، يتمكن الباحثون من دراسة توزيع المكونات البيولوجية وتوطينها وتفاعلاتها داخل الخلايا أو الأنسجة، وبالتالي الحصول على فهم تفصيلي للعمليات والوظائف الخلوية التي لا يمكن ملاحظتها عادة بواسطة المجاهر الضوئية القياسية. تستخدم هذه التقنية الفلوروفورات المستحثة بالفلورة بدلاً من العمل بناءً على مبادئ الامتصاص البصري أو التشتت أو الانعكاس.

تمتص المواد الفلورية الضوء بأطوال موجية محددة، مما يؤدي إلى إثارة بعض الإلكترونات إلى حالات طاقة أعلى. عندما تعود الإلكترونات إلى الحالة الأرضية، تبعث مجموعة الفلورسنت ضوءًا بطول موجي مميز أطول. ومن خلال الكشف عن التألق المنبعث وتحليله، يمكن تحقيق تصور عالي التباين للمستوى الجزيئي للهياكل البيولوجية.

يوفر لنا نظام الاستشعار LED والكهروضوئي الأكثر تقدمًا المزيد من الأداء والوظائف. هناك بعض الدوائر المتكاملة المصممة خصيصًا لهذه التطبيقات، مثل MAX86171 (الشكل 2، أعلى). هذا هو نظام الحصول على البيانات الضوئية ذو الطاقة المنخفضة للغاية مع قنوات الإرسال والاستقبال. على الرغم من التعقيد الداخلي، لا يلزم تكوين سوى عدد قليل من المكونات المنفصلة في التطبيقات (الشكل 2، أسفل).

MAX86171 نظام الحصول على البيانات الضوئية متعدد القنوات وذو طاقة منخفضة للغاية من الأجهزة التناظرية (انقر للتكبير)
الشكل 2: يعمل نظام الحصول على البيانات الضوئية متعدد القنوات MAX86171، ذو الطاقة المنخفضة للغاية (الصورة العلوية) على تبسيط الأسلاك الخارجية والحاجة إلى مكونات مساعدة سلبية من خلال وظائفه الداخلية المتكاملة للغاية (الصورة السفلية). (مصدر الصورة: الأجهزة التناظرية)

على جانب جهاز الإرسال، تم تجهيز MAX86171 بـ 9 دبابيس إخراج محرك LED قابلة للبرمجة، كل منها متصل بـ 3 برامج تشغيل LED عالية التيار 8 بت. على جانب جهاز الاستقبال، تم تجهيز IC بطرفين أماميين منخفضي الضوضاء ومتكاملين للشحن ودوائر إلغاء الضوء المحيط (ALC)، مما يشكل نظامًا للحصول على البيانات عالي الأداء ومتكاملًا للغاية.

بالنسبة للتصميمات التي تتطلب قنوات بصرية أقل، يمكن استخدام جهاز MAX86178ENJ+، وهو عبارة عن إشارة حيوية من الدرجة السريرية AFE ذات طاقة منخفضة للغاية يمكنها دعم ما يصل إلى ستة مصابيح LED وأربعة مدخلات للثنائي الضوئي.

يرجى ملاحظة أن مؤشرات الأداء وأولويات التطبيقات الطبية تختلف عن الحالات غير الطبية مثل قنوات البيانات الضوئية. نظرًا لمستوى الإضاءة المنخفض نسبيًا، تعد الضوضاء الخلفية المطلقة للواجهة الأمامية البصرية معلمة رئيسية، بدلاً من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR).

على الرغم من أن عرض النطاق الترددي للإشارة ومعدل أخذ العينات في مجال الطب الحيوي عادة ما يكون منخفضًا جدًا، ولا تتغير المعلمات ذات الصلة بمعدل عدة كيلو هرتز، فإن خصائص المحاكاة المعقدة للأنظمة الفسيولوجية للمريض والإشارات نفسها تتطلب منا تحديد أولويات مختلفة في المواصفات الفنية. تتضمن هذه الميزات حساسية عالية ونطاق ديناميكي واسع وضوضاء منخفضة للتعامل بنجاح مع بيئات التشغيل المتغيرة باستمرار. في هذه البيئة، سيتحرك جلد المريض وأعضائه الداخلية باستمرار، وحتى الحركات الطفيفة يمكن أن تسبب تغييرات في منطقة التلامس وقوة التلامس. بالإضافة إلى ذلك، تتأثر هذه الخصائص أيضًا بالتداخلات والتغيرات المختلفة، مما يجعل المشكلة أكثر تعقيدًا.

لتلبية متطلبات التطبيق، يتراوح النطاق الديناميكي لـ MAX86171 بين 91 و110 ديسيبل (ديسيبل)، اعتمادًا على تخطيط الاختبار. تبلغ دقتها 19.5 بت، والضوضاء الحالية المظلمة أقل من 50 بيكوامب (pA) (القيمة الفعالة)، ومعامل إخماد الضوء المحيط عند 120 هرتز (هرتز) أفضل من 70 ديسيبل.

مثال رقم 2: مقياس الجهد والأمبير وقياس الجهد وقياس المعاوقة:

في الوقت الحاضر، يمكن للمهندسين الكهربائيين قياس الجهد والتيار والممانعة والعلاقات المتبادلة بينهم باستخدام أدوات قياسية مختلفة. ومع ذلك، فإن هذه القياسات لها متطلبات وقيود فريدة في البيئات الكيميائية والبيولوجية، وتقدم سيناريوهات مختلفة:

طريقة قياس الجهد: استخدام منظم الجهد لقياس الجهد بين قطبين كهربائيين لتحديد تركيز المواد في المحلول
مقياس الأمبير: يستخدم جهاز قياس التيار لكشف الأيونات في المحلول بناءً على التيار أو تغيرات التيار
قياس الجهد: تطبيق منحنى جهد محدد مع مرور الوقت على قطب كهربائي عامل وقياس التيار الناتج عن النظام، عادةً باستخدام مقياس الجهد للقياس.
المعاوقة: قياس علاقة الجهد الحالي بين الجلد والجسم
لتقييم هذه المعلمات، يمكن استخدام كرة WLCSP AD5940 56 بحجم 3.6 × 4.2 ملم (الشكل 3). يحتوي جهاز AFE منخفض الطاقة على وظائف وواجهات متعددة، مصممة خصيصًا للتطبيقات المحمولة التي تتطلب تقنية كهروكيميائية عالية الدقة مثل قياسات الأمبير أو الفولت أمبير أو المعاوقة.