Habilitar una atención médica más eficaz con el Internet de las cosas médicas

Según los Centros para el Control de Enfermedades (CDC), aproximadamente 610.000 personas mueren de enfermedades cardíacas en los EE. UU. Cada año, es decir, una de cada cuatro muertes. La salud cardíaca es uno de los parámetros más importantes para la salud general de una persona. El Internet de las cosas médicas (IoMT) está habilitando una nueva generación de sistemas de monitoreo cardíaco continuo, multiparamétricos y portátiles para mejorar la gestión de la atención médica en una variedad de entornos hospitalarios, clínicos, de atención al paciente y domésticos.

IoMT es una infraestructura conectada para dispositivos y servicios médicos que recopilan y analizan datos que se envían a los proveedores de atención médica. En la actualidad, estos dispositivos incluyen sensores que miden la temperatura, la humedad y la vibración, así como algoritmos que identifican un número limitado de afecciones cardíacas.

Los diseños de próxima generación buscan agregar parámetros que identifiquen una gama más amplia de arritmias utilizando algoritmos más inteligentes y complejos. Por ejemplo, los "parches" desechables que se asemejan a vendajes invisibles con unos pocos CI muy pequeños se pueden usar cómodamente sobre la piel durante más tiempo para controlar y controlar la salud cardíaca.

Los sistemas de monitorización cardíaca conectados incluirán tres elementos principales:nodos de sensores inalámbricos portátiles, un servicio de gestión de datos y plataformas analíticas basadas en la nube.

El nodo del sensor de electrocardiograma (ECG) (por ejemplo, parche de ECG o prendas conductoras de monitorización de la frecuencia cardíaca) y el servicio de gestión de datos recopilan datos cardíacos del dispositivo portátil en un centro de datos. El nodo del sensor suele ser un dispositivo de monitorización de ECG de una o tres derivaciones con hasta tres electrodos (húmedos o secos) conectados a los componentes electrónicos del parche.

La plataforma basada en la nube recopila y analiza los datos cardíacos utilizando algoritmos complejos y motores de inteligencia artificial (IA) para identificar posibles funcionalidades anormales del corazón. Los resultados pueden agregarse a los registros médicos del paciente y ponerse a disposición de la organización de atención médica designada y el cardiólogo a cargo.

Interfaces analógicas

La ruta de acondicionamiento de la señal de ECG ( Fig. 1 ) incluye la etapa analógica, que se utiliza para detectar, amplificar y limpiar la forma de onda analógica. La amplitud de la señal de ECG varía desde cientos de microvoltios hasta aproximadamente 5 milivoltios. La señal incluye ruido de baja frecuencia (50/60 Hz) acoplado desde líneas de CA, ruido de alta frecuencia de los músculos del cuerpo y, a menudo, ruido de RF de diferentes equipos en las proximidades del dispositivo. En el caso de los dispositivos portátiles, la línea de base de la señal de ECG tendría fluctuaciones indeseables debido a artefactos de movimiento.

Por lo tanto, las interfaces analógicas de alta complejidad (AFE) se utilizan a menudo para limpiar y digitalizar señales de ECG. El AFE incluye filtros EMI para eliminar el ruido de RF; un filtro de paso alto con una frecuencia de esquina típica de 0,5 Hz para eliminar la fluctuación de la línea base; un filtro de paso bajo con una frecuencia de esquina típica de 150 Hz para filtrar la señal fuera de banda; un filtro de muesca para filtrar el ruido de 50/60 Hz; un amplificador de instrumentación programable de bajo ruido para amplificar la señal y un convertidor de analógico a digital para digitalizar la señal para el procesamiento posterior de los datos muestreados.

Fig. 1:Nodo típico del sensor de monitorización cardíaca conectado a IoMT y la ruta de la señal relacionada.

Un requisito clave para el AFE es mantener las características de la forma de onda del ECG del paciente a lo largo de la ruta de la señal. Esto se logra minimizando los efectos del ruido y las imprecisiones (p. Ej., Error de ganancia, error de compensación, etc.) a lo largo de la ruta de la señal en todas las condiciones de funcionamiento.

MCU de alto rendimiento

La siguiente etapa en el camino es un microcontrolador (MCU) para el posprocesamiento y / o mantenimiento de los datos de ECG digitalizados. Dependiendo del tipo de dispositivo de monitoreo portátil, los datos de ECG sin procesar muestreados en el sensor portátil se analizarían sobre la marcha para detectar las arritmias cardíacas más comunes y luego se guardarían en la memoria no volátil del sistema, o se almacenarían en la memoria para análisis fuera de línea al final de la vida útil del dispositivo.

El primer enfoque se adopta en la generación más nueva de ECG portátiles desechables, que requieren MCU de mayor rendimiento con un motor DSP y una memoria de almacenamiento de código / datos más alta para detectar con precisión varias arritmias comunes sobre la marcha, además de almacenar grandes cantidades de datos sin procesar para la publicación. Procesando. Los requisitos adicionales incluyen componentes electrónicos de menor tamaño, AFE de precisión y menor consumo de energía.

La memoria adicional y el mayor rendimiento de la MCU presentan desafíos en el rendimiento energético y el tamaño de la matriz. Estos desafíos deben abordarse mediante la utilización de nodos de proceso avanzados de bajo consumo con geometría de celda pequeña y mediante la inclusión de funciones de administración de energía para permitir esquemas de administración de energía eficientes a nivel del sistema.

La MCU del sistema debe tener un bajo consumo por frecuencia de operación (mejor que 50 µA / MHz) e incluir una variedad de modos de operación con frecuencia escalable para permitir una administración de energía flexible a nivel del sistema. Un método muy común implica el ciclo de la MCU "encendido" y "apagado" con un perfil basado en algunos modelos de uso propietario personalizados del sistema.

Como la radio y la MCU dominan el consumo de energía en el sistema, su uso debe ser lo más bajo posible. Para limitar el consumo de energía durante el proceso de ciclo de energía, la MCU debe proporcionar un consumo de corriente de submicroamperios en el modo de operación de espera y tener un tiempo de transición muy rápido (no más de unos pocos microsegundos) desde el modo de espera al modo de operación normal para minimizar las pérdidas de energía de conmutación. .

Se requiere que los AFE más nuevos funcionen continuamente con un menor consumo de energía (generalmente por debajo de 100 µW) e incluyan circuitos dedicados de procesamiento de señales digitales de baja potencia (por ejemplo, medición del período pico R-to-R) además de la ruta de la señal analógica. Esto reduciría la cantidad de procesamiento de señales por parte de la MCU. En general, características como diagnósticos mejorados, monitoreo de parámetros de signos vitales y medición de señales adicionales (por ejemplo, Bio-Z) contribuyen a la complejidad de AFE.

Conectividad de consumo ultrabajo

La última etapa de la ruta de la señal en el nodo del sensor de ECG es algún tipo de conectividad inalámbrica de baja potencia para permitir la comunicación con las puertas de enlace, como teléfonos inteligentes o concentradores de sensores personalizados. La transmisión de datos a la plataforma en la nube y los centros de atención médica puede incluir datos de ECG sin procesar, información sobre posibles arritmias o ritmo normal, así como algunos otros parámetros del sistema medidos durante la operación. Actualmente, el Bluetooth de bajo consumo es una de las interfaces inalámbricas más utilizadas. Se están evaluando los tipos de conectividad NB-IoT y CAT-M para su uso futuro.

La tendencia hacia parches de ECG desechables de factor de forma más pequeño, más rentables y significativamente más duraderos significa un mayor nivel de integración para la ruta de señal de energía ultrabaja en un dispositivo pequeño de sistema en chip (SoC) o sistema en paquete (SIP) . Algunos de los desafíos que enfrenta la miniaturización de la electrónica son la necesidad de un nodo de proceso de semiconductores rentable adecuado para circuitos de señal mixta (analógica y digital) de precisión de baja potencia, y la disponibilidad de una tecnología de empaquetado de tamaño reducido más rentable.

El consumo de energía ultrabajo es uno de los requisitos clave para este nuevo tipo de parche de ECG, ya que puede aumentar significativamente la vida útil del análisis / monitoreo continuo de la señal cardíaca más allá de la duración actual de siete a 15 días. El menor consumo de energía también permite a los desarrolladores incluir un monitoreo de signos vitales adicional, lo que les da una ventaja competitiva.

Actualmente, los parches utilizan baterías de una sola moneda con una capacidad típica de varios cientos de mAh. Sin embargo, se están realizando esfuerzos para utilizar baterías más pequeñas, de menor capacidad y más rentables combinadas con un método de recolección de energía que utiliza nodos de sensores "sin batería" basados ​​en nuevas tecnologías especializadas de proceso de semiconductores, como el silicio sobre óxido delgado enterrado ( SOTB) y procesos de subumbral.

El desafío de la transición de los parches de monitoreo cardíaco basados ​​en la recolección de energía de los laboratorios de investigación al mercado es la disponibilidad de fuentes de energía continuas y consistentes para recolectar en el punto de uso. La industria está explorando el uso de fuentes como el calor corporal, la vibración del movimiento o la energía de RF dedicada en el entorno circundante para abordar este desafío clave.

Finalmente, el diseño de SoC de monitoreo cardíaco requeriría integrar con éxito circuitos de modo mixto en una pieza muy pequeña de silicio sin interferencia a través de los límites asignados en el diseño. Esto requeriría experiencia en diseño especial para evitar la propagación del ruido generado por los circuitos digitales y de RF de conmutación de alta frecuencia al circuito analógico de precisión vecino.

El IoMT está cambiando la atención médica reactiva tradicional hacia un sistema preventivo más asequible con costos potencialmente más bajos. La combinación de avances en tecnologías de semiconductores, conectividad y ciencia de materiales con el poder de la IA ofrece el potencial de aplicaciones que alteran la vida para el mejoramiento de la sociedad.

>> Este artículo se publicó originalmente el nuestro sitio hermano, Electronic Products:"Internet of medical things habilita sistemas de monitorización cardíaca conectados".

Ash Patel y Bahram Mirshab pertenecen al segmento de atención médica, Renesas Electronics America Inc.