وقد تمكنت الذكاء الاصطناعي من الحصول على رؤى أعمق من فحص المرضى وبيانات التجارب،وبالتالي تحسين القدرات التشخيصية وتعزيز القدرات التنبؤية وتحليل الاتجاهاتالخطوة التالية هي نقل الاختبارات الطبية والتحليلات العينية القائمة على الذكاء الاصطناعي من المختبر إلى مكاتب الأطباء أو العيادات أو المنازل.يمكن لهذه الطريقة من مراقبة الجراحة أن تقيم بسرعة الحالات الطبية، والحد من عبء المرضى، وتمكين اختبارات أكثر تواترا لتوفير بيانات أكثر دقة وكشف الاتجاهات المقلقة بشكل أسرع.
لتحقيق الذكاء الاصطناعي مدفوع PoC،من الضروري استخدام تطبيق متعدد الوظائف محسّن IC مع متقدمة الأمامية التناظرية (AFE) لربط مع مختلف أجهزة الاستشعار الحيوي للاستحواذ على البيانات اللازمة والقياسيجب أن تلبي هذه المركبات المركزية المتطلبات الفريدة من الخصائص للقياسات الكهروكيميائية والبيولوجية المعقدة والقياسات ذات الصلة ، بما في ذلك الدقة ، واستهلاك الطاقة المنخفض ،و وظائف متكاملة للغايةيجب عليهم أيضا الاعتماد على تقنيات الأمن المتقدمة لضمان خصوصية البيانات.
ستستكشف هذه المقالة اتجاه تحويل PoC وتأثيره على التصميم ، ثم تصف سيناريوهات قياس AFE المستخدمة على نطاق واسع ،وتقديم حلول مثالية من الأجهزة التناظرية التي يمكن أن تلبي متطلبات قياس PoC والأمن.
لمَ نحتاج لـ (بوك) الآن؟
تشمل العوامل المحركة لزيادة الكشف عن PoC ومعالجة العينات: الطلب على المزيد من التشخيصات الطبية الأفضل لتحسين الحالات الصحية الفردية.تطوير رؤى حول احتياجات الشيخوخة القائمة على السكانوالتي يجب القيام بها بتكاليف أقل وتقليل الاختبارات ووقت الانتظار.هناك اتجاه لإنشاء المزيد من PoC المحلي في العيادات أو المنازل لتقليل التدخل والتكاليف للمرضىوالذي يتطلب أدوات بسيطة ولكنها قوية
وفي الوقت نفسه، يتطور الذكاء الاصطناعي بسرعة، مما يتيح استخدام هذه البيانات لتحليل وتنبؤ أعمق.
These comprehensive factors create a demand and opportunity for complex IC based circuits that need to be optimized according to the unique requirements of medical testing data acquisition and managementهذا النوع من IC هو الواجهة الأمامية التي تربط السوائل الجسدية للمريض مع النظام، مسؤولة عن التقاط وتسجيل البيانات من مختلف أجهزة الاستشعار، وتقييمها،وتقديم البيانات النهائية (الشكل 1).
مخطط واجهة رئيسية بين العلامات الحيوية للمريض وسوائل الجسم وأدوات PoC ذات الصلة وأنظمة البيانات (انقر لتوسيع)
الشكل 1: تعمل المحاكاة والأجهزة الإلكترونية ذات الصلة كواجهات اتصال مهمة بين العلامات الحيوية للمريض وسوائل الجسم، وكذلك أدوات PoC ذات الصلة وأنظمة البيانات.(مصدر الصورةأجهزة التناظرية
يجب أن تكون المركبات المتنوعة الموجهة نحو التطبيق قادرة على مواجهة العديد من التحديات
يمكننا استخدام بعض الأمثلة لتوضيح هذا الوضع بوضوح:
المثال 1: قياس النبض و مراقبة معدل ضربات القلب:
تشبع الأكسجين في الدم (SpO2) ومعدل ضربات القلب مؤشرات أساسية هامة لقياس الصحة.المعلم الأول يوفر المثال الأكثر وضوحًا لكيفية تغيير التقنيات البصرية والإلكترونية لتوقعات PoCالطريقة الوحيدة لقياس SpO2 كانت دائماً للممرضات لأخذ عينات من الدم وإرسالها إلى المختبر للفحص.
الآن، مع التكنولوجيا البصرية الإلكترونية الراسخة منذ عقود، يمكن أن توفر المصابيح، وأجهزة الاستشعار الضوئية، والخوارزميات على أطراف الأصابع قراءات سريعة في غضون ثوان.نفس ترتيب أجهزة الاستشعار الضوئية LED يمكن أن توفر أيضا معلومات معدل ضربات القلب.
يوفر لنا نظام أجهزة الاستشعار LED والكهربائية الضوئية الأكثر تقدماً وأكثر وظائف. هناك بعض وحدات التداول المركزية المصممة خصيصاً لهذه التطبيقات ، مثل MAX86171 (الشكل 2 ،أعلى)، وهو نظام استيعاب البيانات الضوئية ذات الطاقة المنخفضة للغاية مع قنوات الإرسال والاستقبال.فقط عدد قليل من المكونات المنفصلة تحتاج إلى تكوين في التطبيقات (الشكل 2)، أسفل).
نظام MAX86171 متعدد القنوات ، منخفضة الطاقة للغاية ، لاكتساب البيانات البصرية من الأجهزة التناظرية (انقر لتوسيع)
الشكل 2: MAX86171 متعدد القنوات، طاقة منخفضة للغاية،نظام جمع البيانات البصرية (الصورة العليا) يسهل الأسلاك الخارجية والحاجة إلى المكونات المساعدة السلبية مع وظائفها الداخلية المتكاملة للغاية (الصورة السفلية)(مصدر الصورة: أجهزة التناظرية)
على جانب الإرسال ، مجهز MAX86171 بـ 9 دبوس إخراج محركات LED قابلة للبرمجة ، يتم توصيل كل منها بـ 3 محركات LED ذات 8 بتات عالية التيار. على جانب المستقبل ،MAX86171 مجهزة بثنين من الضوضاء المنخفضة، وتكامل شحنات الطرف الأمامي ودورات إلغاء الضوء المحيطي (ALC) ، تشكل نظامًا متكاملًا عالي الأداء لجمع البيانات على أساس البصري.
بالإضافة إلى بيانات SpO2 ومعدل ضربات القلب ، يمكن لهذا المركز المركزي أيضًا تقييم تقلبات معدل ضربات القلب ، وترطيب الجسم ، وامتلاء الأكسجين في العضلات والأنسجة (SmO2 و StO2) ،و الحد الأقصى لاستهلاك الأكسجين (VO2 max).
يرجى ملاحظة أن مؤشرات الأداء وأولويات التطبيقات الطبية تختلف عن المواقف غير الطبية.ضوضاء الخلفية المطلقة للجهة الأمامية البصرية هي المعيار الرئيسي، بدلاً من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR).
على الرغم من أنه في مجال الطب الحيوي، فإن عرض النطاق الترددي للإشارة ومعدل أخذ العينات عادة ما يكون منخفضًا جدًا لأن المعلمات ذات الصلة لا تتغير بمعدل عدة كيلو هرتز،خصائص المرضى والإشارات المعقدة تتطلب ترتيبات أولوية مختلفة من حيث المواصفاتوتشمل هذه الميزات حساسية عالية، نطاق ديناميكي واسع، وانخفاض الضوضاء للتعامل بنجاح مع البيئات غير الثابتة المتغيرة باستمرار.جلد المريض وأعضائه الداخلية تتحرك باستمرار، وحتى الحركات البسيطة يمكن أن تسبب تغييرات في منطقة الاتصال وقوة الاتصال. بالإضافة إلى ذلك، تتأثر هذه الخصائص أيضا من قبل التداخلات المختلفة، والضوضاء، والتغيرات،جعل المشكلة أكثر تعقيدا.
لتلبية متطلبات التطبيق ، فإن النطاق الديناميكي لـ MAX86171 يتراوح بين 91 و 110 ديسيبل (dB) ، اعتمادًا على تخطيط الاختبار.ضوضاء التيار المظلم أقل من 50 بيكومبير (pA) (القيمة الفعلية)، ومؤشر قمع الضوء المحيطي عند 120 هرتز (هرتز) أفضل من 70 ديسيبل.
المثال 2: طريقة القوة، طريقة تحليل التيار، طريقة قياس فولت آمبر، وقياس المعوقة:
في الوقت الحاضر، يمكن للمهندسين الكهربائيين قياس الجهد الكهربائي، والتيار، والمعوقة، وعلاقاتها مع بعضها البعض باستخدام أدوات قياسية مختلفة.هذه القياسات لديها متطلبات وحدود فريدة في البيئات الكيميائية والبيولوجية، وتقديم سيناريوهات قياس مختلفة:
الطريقة القابلة للقياس: باستخدام جهاز تحديد طاقة لقياس الاحتمال بين إلكترودين لتحديد تركيز المواد في محلول
طريقة تحليل التيار: استخدام جهاز قياس التيار للكشف عن الأيونات في محلول بناء على التيار أو التغيرات في التيار
طريقة فولتامتري: تطبيق منحنى فولتاجي محدد يختلف بمرور الوقت على الكهرباء العاملة وقياس التيار الذي يولده النظام ، عادةً ما يستخدم جهاز إمكانات للقياس
الانسداد: قياس علاقة التيار الكهربائي بين الجلد والجسم
لتقييم هذه المعلمات ، AD5940 يقدم وظائف متعددة وخيارات واجهة في حزمة WLCSP 56 كرة بحجم 3.6 × 4.2 مليمتر (ملم) (الشكل 3).هذه AFE منخفضة الطاقة لديها وظائف متعددة وواجهات، مصممة خصيصا للتطبيقات المحمولة التي تتطلب تقنيات قياس الكهروكيميائي عالية الدقة مثل آمبر، فولت آمبر، أو قياسات المعوقة.