병상(PoC) 의료 테스트의 변화 물결은 실험실에서 임상 진료소, 지역 사회 의료 기관, 심지어 가정으로 이동하고 있습니다. 이러한 변화는 진단 속도를 가속화하여 환자 치료 속도를 높이고 효율성을 개선하며 비용을 절감할 것입니다.
PoC를 달성하기 위한 첫 번째 단계는 고급 아날로그 프런트 엔드(AFE)를 갖춘 다기능 애플리케이션 최적화 집적 회로를 사용하여 필요한 데이터 수집 및 측정을 위해 다양한 바이오 센서와 연결하는 것입니다. 각 IC는 정확성, 낮은 전력 소비, 고도로 통합된 기능을 포함하여 복잡한 전기화학, 생물학 및 관련 측정에 대한 고유한 특성 요구 사항을 충족해야 합니다. 성공적인 최종 제품은 탁월한 성능, 높은 유연성, 업그레이드 가능성을 특징으로 하며 이는 미래 지향적인 플랫폼 구현에 기여합니다. 또한 이러한 제품에는 데이터 정확성과 개인 정보 보호를 보장하기 위해 부드럽고 정밀한 모션 제어 및 인증 IC가 장착되어야 합니다.
이 기사에서는 PoC에 대한 주요 변화와 이것이 설계에 미치는 영향을 살펴본 다음 널리 사용되는 AFE 측정 시나리오를 설명하고 Analog Devices가 PoC 측정, 모션 제어 및 검증 요구 사항을 충족하기 위해 제공할 수 있는 유연한 솔루션을 소개합니다.
지금 PoC가 필요한 이유는 무엇입니까?
개인의 건강 상태를 개선하기 위한 신속한 의료 진단의 필요성을 포함하여 PoC 및 시료 처리에 대한 수요를 촉진하는 많은 요인이 있습니다. 규제 규정은 더 많은 테스트를 권장하거나 심지어 의무화합니다. 현재는 환자에게 미치는 영향을 최소화하고 비용과 시간을 절약하기 위해 병원이나 집 근처에서 PoC를 수행하는 추세입니다. 따라서 이러한 시스템에서는 이러한 목표를 달성하기 위해 간단하고 사용하기 쉬우면서도 강력한 도구와 장비를 사용해야 합니다.
이러한 시스템 설계자에게 AFE의 모션 제어 및 신원 확인 IC는 환자 체액, 생체 신호 및 다양한 센서의 결과 데이터를 캡처, 기록, 평가 및 보고하는 데 필요한 시스템을 직접 연결할 수 있는 중간 인터페이스를 제공합니다. 이러한 장치는 전기화학 및 광학 진단 솔루션 구축의 초석이며, 다양한 바이오센서 및 화학물질과 호환되는 측정 엔진은 물론 소프트웨어 업그레이드가 가능한 플랫폼을 제공하기 위해 이러한 솔루션이 필요합니다.
환자 활력 징후와 체액, 관련 PoC 장비 및 데이터 시스템 간의 인터페이스
그림 1: 시뮬레이션 및 관련 전자 장치는 환자 활력 징후와 체액은 물론 관련 PoC 장비 및 데이터 시스템 간의 중요한 통신 인터페이스 역할을 합니다. (이미지 출처: 아날로그 디바이스)
애플리케이션 지향 다각화된 IC는 다양한 과제를 해결할 수 있어야 합니다.
이 상황을 명확하게 설명하기 위해 몇 가지 예를 사용할 수 있습니다.
예 1: 광학 형광 검출(FLD):
이 기술을 통해 연구자들은 세포나 조직 내의 생물학적 구성 요소의 분포, 위치화 및 상호 작용을 연구할 수 있으며, 이를 통해 일반적으로 표준 광학 현미경으로는 관찰할 수 없는 세포 과정과 기능을 자세히 이해할 수 있습니다. 이 기술은 광학 흡수, 산란 또는 반사 원리를 기반으로 작동하는 대신 형광 유도 형광단을 사용합니다.
형광 물질은 특정 파장의 빛을 흡수하여 일부 전자를 더 높은 에너지 상태로 여기시킵니다. 전자가 바닥 상태로 돌아가면 형광 그룹은 더 긴 특성 파장의 빛을 방출합니다. 방출된 형광을 검출하고 분석함으로써 생물학적 구조의 고대비 분자 수준 시각화를 달성할 수 있습니다.
더욱 발전된 LED 및 광전 센서 시스템은 더 많은 성능과 기능을 제공합니다. MAX86171(그림 2, 상단)과 같이 이러한 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 일부 IC가 있습니다. 송신 및 수신 채널을 갖춘 초저전력 광 데이터 수집 시스템입니다. 내부 복잡성에도 불구하고 애플리케이션에서는 몇 가지 개별 구성 요소만 구성하면 됩니다(그림 2, 하단).
MAX86171 Analog Devices의 다중 채널, 초저전력, 광 데이터 수집 시스템(확대하려면 클릭)
그림 2: MAX86171 다중 채널, 초저전력, 광학 데이터 수집 시스템(상단 이미지)은 고도로 통합된 내부 기능을 통해 외부 배선과 수동 보조 부품의 필요성을 단순화합니다(하단 이미지). (이미지 출처: 아날로그 디바이스)
송신기 측에서 MAX86171에는 프로그래밍 가능한 LED 드라이버 출력 핀 9개가 장착되어 있으며 각 핀은 고전류 8비트 LED 드라이버 3개에 연결되어 있습니다. 수신기 측에서 IC에는 2개의 저잡음 전하 통합 프런트 엔드 및 주변광 제거(ALC) 회로가 장착되어 광학 기반의 고도로 통합된 고성능 데이터 수집 시스템을 구성합니다.
더 적은 수의 광 채널이 필요한 설계의 경우 최대 6개의 LED와 4개의 포토다이오드 입력을 지원할 수 있는 초저전력 임상 등급 활력 징후 AFE인 MAX86178ENJ+ 장치를 사용할 수 있습니다.
의료 애플리케이션의 성능 지표 및 우선순위는 광 데이터 채널과 같은 비의료 상황과 다르다는 점에 유의하시기 바랍니다. 상대적으로 낮은 조명 수준으로 인해 신호 대 잡음비(SNR)보다는 광학 프런트 엔드의 절대 배경 잡음이 핵심 매개변수입니다.
생의학 분야에서는 일반적으로 신호 대역폭과 샘플링 속도가 매우 낮고 관련 매개 변수가 수 kHz의 속도로 변경되지 않지만 환자 생리 시스템 및 신호 자체의 복잡한 시뮬레이션 특성으로 인해 기술 사양에서 서로 다른 우선 순위를 설정해야 합니다. 이러한 기능에는 끊임없이 변화하는 작동 환경에 성공적으로 대처할 수 있는 높은 감도, 넓은 다이내믹 레인지 및 낮은 노이즈가 포함됩니다. 이런 환경에서는 환자의 피부와 내장 기관이 끊임없이 움직이게 되며, 조금만 움직여도 접촉 면적과 접촉력에 변화가 생길 수 있습니다. 또한 이러한 특성은 다양한 간섭과 변화에 의해서도 영향을 받아 문제를 더욱 복잡하게 만듭니다.
애플리케이션 요구 사항을 충족하기 위해 MAX86171의 동적 범위는 테스트 레이아웃에 따라 91~110데시벨(dB)입니다. 분해능은 19.5비트이고, 암전류 잡음은 50pA(유효값) 미만이며, 120Hz에서 주변광 억제 계수는 70dB보다 좋습니다.
예 # 2: 전위차계, 전류계, 전압전류법 및 임피던스 측정:
오늘날 전기 엔지니어는 다양한 표준 장비를 사용하여 전압, 전류, 임피던스 및 이들의 상호 관계를 능숙하게 측정할 수 있습니다. 그러나 이러한 측정에는 화학적, 생물학적 환경에서 고유한 요구 사항과 제한 사항이 있으며 다양한 시나리오가 있습니다.
전위차법: 전위차계를 사용하여 두 전극 사이의 전위를 측정하여 용액 내 물질의 농도를 결정합니다.
전류계: 전류 측정 장치를 사용하여 전류 또는 전류 변화를 기반으로 용액 내 이온을 감지합니다.
전압전류법(Voltammetry): 시간 경과에 따른 특정 전압 곡선을 작업 전극에 적용하고 시스템에서 생성된 전류를 측정합니다. 일반적으로 측정용 전위차계를 사용합니다.
임피던스: 피부와 신체 사이의 전압 전류 관계를 측정합니다.
이러한 매개변수를 평가하기 위해 3.6 × 4.2mm 크기의 AD5940 56 볼 WLCSP를 사용할 수 있습니다(그림 3). 이 저전력 AFE에는 암페어, 볼트 암페어 또는 임피던스 측정과 같은 고정밀 전기화학 기술이 필요한 휴대용 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 다양한 기능과 인터페이스가 있습니다.