لقد تمكن الذكاء الاصطناعي (AI) من الحصول على رؤى أعمق من فحص المريض وبيانات التجارب، وبالتالي تحسين القدرات التشخيصية وتعزيز القدرات التنبؤية وتحليل الاتجاهات. والخطوة التالية هي نقل الاختبارات الطبية وتحليل العينات المعتمدة على الذكاء الاصطناعي من المختبر إلى مكاتب الأطباء أو العيادات أو المنازل. يمكن لطريقة المراقبة بجانب السرير (PoC) تقييم الحالات الطبية بسرعة، وتقليل العبء على المريض، وتمكين إجراء اختبارات أكثر تكرارًا لتوفير بيانات أكثر دقة واكتشاف الاتجاهات المثيرة للقلق بشكل أسرع.
لتحقيق إثبات المفهوم (PoC) القائم على الذكاء الاصطناعي، من الضروري استخدام تطبيق IC متعدد الوظائف محسّن مع واجهة أمامية تناظرية متقدمة (AFE) للتفاعل مع أجهزة الاستشعار الحيوية المختلفة للحصول على البيانات الضرورية وقياسها. يجب أن تلبي هذه الدوائر المتكاملة المتطلبات المميزة الفريدة للقياسات الكهروكيميائية والبيولوجية المعقدة وما يتصل بها من قياسات، بما في ذلك الدقة وانخفاض استهلاك الطاقة والوظائف المتكاملة للغاية. ويجب عليهم أيضًا الاعتماد على تقنيات الأمان المتقدمة لضمان خصوصية البيانات.
سوف تستكشف هذه المقالة اتجاه تحويل إثبات المفهوم (PoC) وتأثيره على التصميم، ثم تصف سيناريوهات قياس AFE المستخدمة على نطاق واسع، وتقدم حلول أمثلة للأجهزة التناظرية التي يمكنها تلبية متطلبات قياس إثبات المفهوم (PoC) والأمن.
لماذا نحتاج إلى PoC الآن؟
تشمل العوامل الدافعة لزيادة اكتشاف إثبات العدوى ومعالجة العينات ما يلي: الطلب على تشخيصات طبية أكثر وأفضل لتحسين الظروف الصحية الفردية؛ تطوير نظرة ثاقبة لاحتياجات الشيخوخة والأمراض والتغيرات المرضية على أساس السكان. تشجع اللوائح التنظيمية أو حتى تتطلب المزيد من الاختبارات، والتي يجب إجراؤها بتكاليف أقل وتقليل أوقات الاختبار والانتظار. بالإضافة إلى ذلك، هناك اتجاه لإنشاء المزيد من أجهزة إثبات المفهوم (PoC) المحلية في العيادات أو المنازل لتقليل التدخل والتكاليف بالنسبة للمرضى، الأمر الذي يتطلب أدوات بسيطة لكنها قوية.
وفي الوقت نفسه، يتطور الذكاء الاصطناعي بسرعة، مما يتيح استخدام هذه البيانات لإجراء تحليل وتنبؤ أعمق.
تخلق هذه العوامل الشاملة طلبًا وفرصة للدوائر المعقدة المعتمدة على IC والتي تحتاج إلى التحسين وفقًا للمتطلبات الفريدة للحصول على بيانات الاختبارات الطبية وإدارتها. هذا النوع من IC هو الواجهة الأمامية التي تربط سوائل جسم المريض بالنظام، وهو المسؤول عن التقاط وتسجيل البيانات من أجهزة الاستشعار المختلفة، وتقييمها، والإبلاغ عن البيانات النهائية (الشكل 1).
مخطط الواجهة الرئيسية بين العلامات الحيوية للمريض وسوائل الجسم وأدوات إثبات صحة المريض وأنظمة البيانات ذات الصلة (انقر للتكبير)
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: قياس التأكسج النبضي ومراقبة معدل ضربات القلب:
يعد تشبع الأكسجين في الدم (SpO2) ومعدل ضربات القلب من المؤشرات الأساسية المهمة لقياس الصحة. توفر المعلمة الأولى المثال الأكثر وضوحًا لكيفية تغيير التقنيات البصرية والإلكترونية لتوقعات إثبات المفهوم (PoC). الطريقة الوحيدة لقياس SpO2 كانت دائمًا أن تقوم الممرضات بأخذ عينات الدم وإرسالها إلى المختبر للاختبار.
الآن، مع التكنولوجيا البصرية الإلكترونية الراسخة منذ عقود مضت، يمكن لمصابيح LED وأجهزة استشعار الضوء والخوارزميات الموجودة على أطراف الأصابع توفير قراءات سريعة في ثوانٍ. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يوفر نفس ترتيب أجهزة الاستشعار الكهروضوئية LED معلومات عن معدل ضربات القلب.
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)، وهو 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 MAX86171 بدائرتين أماميتين منخفضتي الضوضاء وتكامل الشحن وإلغاء الإضاءة المحيطة (ALC)، مما يشكل نظامًا للحصول على البيانات عالي الأداء ومتكاملًا للغاية.
بالإضافة إلى بيانات SpO2 ومعدل ضربات القلب، يمكن لهذا IC أيضًا تقييم تقلب معدل ضربات القلب، وترطيب الجسم، وتشبع الأكسجين في العضلات والأنسجة (SmO2 وStO2)، والحد الأقصى لاستهلاك الأكسجين (VO2 max).
يرجى ملاحظة أن مؤشرات الأداء وأولويات التطبيقات الطبية تختلف عن الحالات غير الطبية. 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 لأن المعلمات ذات الصلة لا تتغير بمعدل عدة كيلو هرتز، فإن الخصائص التناظرية المعقدة للمرضى والإشارات تتطلب ترتيبات أولوية مختلفة من حيث المواصفات. تتضمن هذه الميزات حساسية عالية ونطاق ديناميكي واسع وضوضاء منخفضة للتعامل بنجاح مع البيئات غير الثابتة 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 والضوضاء 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 2: طريقة قياس الجهد، وطريقة تحليل التيار، وطريقة قياس الفولت أمبير، 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 قياس مختلفة:
طريقة قياس الجهد: استخدام منظم الجهد لقياس الجهد بين قطبين كهربائيين لتحديد تركيز المواد في المحلول
طريقة التحليل الحالي: استخدام جهاز قياس التيار للكشف عن الأيونات في المحلول بناءً على التيار أو التغيرات في التيار
طريقة قياس الجهد: تطبيق منحنى جهد محدد يتغير مع مرور الوقت على القطب العامل وقياس التيار الناتج عن النظام، عادةً باستخدام مقياس الجهد للقياس
المعاوقة: قياس علاقة الجهد الحالي بين الجلد والجسم
لتقييم هذه المعلمات، يوفر AD5940 وظائف متعددة وخيارات واجهة في حزمة WLCSP ذات 56 كرة بقياس 3.6 × 4.2 ملم (الشكل 3). يحتوي جهاز AFE منخفض الطاقة على وظائف وواجهات متعددة، مصممة خصيصًا للتطبيقات المحمولة التي تتطلب تقنيات قياس كهروكيميائية عالية الدقة مثل قياسات الأمبير أو الفولت أمبير أو المعاوقة.