Habilitando cuidados de saúde mais eficazes com a Internet das coisas médicas

De acordo com os Centros de Controle de Doenças (CDC), aproximadamente 610.000 pessoas morrem de doenças cardíacas nos EUA todos os anos - uma em cada quatro mortes. A saúde cardíaca é um dos parâmetros mais importantes para a saúde geral de uma pessoa. A internet de coisas médicas (IoMT) está permitindo uma nova geração de sistemas de monitoramento cardíaco contínuo, multiparâmetros e vestíveis para melhorar o gerenciamento de saúde em uma variedade de hospitais, clínicas, atendimento ao paciente e ambientes domésticos.

O IoMT é uma infraestrutura conectada para dispositivos e serviços médicos que coletam e analisam dados que são enviados aos provedores de saúde. Hoje, esses dispositivos incluem sensores que medem temperatura, umidade e vibração, bem como algoritmos que identificam um número limitado de doenças cardíacas.

Os projetos de última geração procuram adicionar parâmetros que identifiquem uma gama mais ampla de arritmias usando algoritmos mais inteligentes e complexos. Por exemplo, “adesivos” descartáveis ​​que se assemelham a bandagens invisíveis com alguns CIs muito pequenos podem ser usados ​​confortavelmente na pele por mais tempo para monitorar e controlar a saúde cardíaca.

Os sistemas de monitoramento cardíaco conectados incluirão três elementos principais:nós de sensores sem fio vestíveis, um serviço de gerenciamento de dados e plataformas analíticas baseadas em nuvem.

O nó do sensor de eletrocardiograma (ECG) (por exemplo, patch de ECG ou vestimentas condutoras de monitoramento da frequência cardíaca) e o serviço de gerenciamento de dados coletam dados cardíacos do dispositivo vestível em um data center. O nó sensor é normalmente um dispositivo de monitoramento de ECG de uma ou três derivações com até três eletrodos (úmidos ou secos) anexados aos componentes eletrônicos no patch.

A plataforma baseada em nuvem reúne e analisa os dados cardíacos usando algoritmos complexos e mecanismos de inteligência artificial (AI) para identificar potenciais funcionalidades cardíacas anormais. Os resultados podem ser adicionados aos registros médicos do paciente e disponibilizados para a organização de saúde designada e o cardiologista responsável.

Front-ends analógicos

O caminho de condicionamento do sinal de ECG ( Fig. 1 ) inclui o estágio analógico, que é usado para detectar, amplificar e limpar a forma de onda analógica. A amplitude do sinal de ECG varia de centenas de microvolts a cerca de 5 milivolts. O sinal inclui ruído de baixa frequência (50/60 Hz) acoplado de linhas CA, ruído de alta frequência dos músculos do corpo e frequentemente ruído de RF de diferentes equipamentos nas proximidades do dispositivo. No caso de dispositivos vestíveis, a linha de base do sinal de ECG teria flutuação indesejável devido a artefatos de movimento.

Assim, front ends analógicos altamente complexos (AFE) são freqüentemente usados ​​para limpar e digitalizar sinais de ECG. O AFE inclui filtros EMI para remover o ruído de RF; um filtro passa-alta com uma frequência de canto típica de 0,5 Hz para remover a flutuação da linha de base; um filtro passa-baixa com uma frequência de canto típica de 150 Hz para filtrar o sinal fora da banda; um filtro de entalhe para filtrar o ruído de 50/60 Hz; um amplificador de instrumentação programável de baixo ruído para amplificar o sinal e um conversor analógico para digital para digitalizar o sinal para pós-processamento dos dados amostrados.

Fig. 1:IoMT típico conectado ao nó do sensor de monitoramento cardíaco e o caminho do sinal relacionado.



Um requisito fundamental para o AFE é manter as características da forma de onda de ECG do paciente ao longo do caminho do sinal. Isso é obtido minimizando os efeitos de ruído e imprecisões (por exemplo, erro de ganho, erro de deslocamento, etc.) em todo o caminho do sinal em todas as condições operacionais.

MCUs de alto desempenho

O próximo estágio no caminho é um microcontrolador (MCU) para pós-processamento e / ou manutenção dos dados de ECG digitalizados. Dependendo do tipo de dispositivo de monitoramento vestível, os dados de ECG brutos amostrados no sensor vestível seriam analisados ​​em tempo real para detectar as arritmias cardíacas mais comuns e, em seguida, salvos na memória não volátil do sistema ou armazenados na memória por análise off-line no final da vida útil do dispositivo.

A abordagem anterior é adotada na geração mais recente de ECGs vestíveis descartáveis, exigindo MCUs de alto desempenho com um mecanismo de DSP e maior código / memória de armazenamento de dados para detectar com precisão várias arritmias comuns em tempo real, além de armazenar grandes quantidades de dados brutos para post em processamento. Os requisitos adicionais incluem componentes eletrônicos menores, AFEs de precisão e menor consumo de energia.

A memória adicional e o desempenho superior do MCU apresentam desafios no desempenho de energia e no tamanho da matriz. Esses desafios precisam ser enfrentados utilizando nós de processos avançados de baixo consumo de energia com geometria de células pequenas e incluindo recursos de gerenciamento de energia para permitir esquemas de gerenciamento de energia eficientes no nível do sistema.

O MCU do sistema deve ter baixo consumo por frequência operacional (melhor que 50 µA / MHz) e incluir uma variedade de modos operacionais com frequência escalonável para permitir o gerenciamento flexível de energia no nível do sistema. Um método muito comum envolve o ciclo do MCU “ligado” e “desligado” com um perfil baseado em alguns modelos de uso proprietários personalizados do sistema.

Como o rádio e o MCU dominam o consumo de energia no sistema, seu uso deve ser o mais baixo possível. Para limitar o consumo de energia durante o processo de ciclo de energia, o MCU deve fornecer consumo de corrente de sub-microamp no modo de operação em espera e ter um tempo de transição muito rápido (não mais do que alguns microssegundos) do modo de espera para o modo de operação normal para minimizar perdas de energia de comutação .

Os AFEs mais novos são obrigados a operar continuamente com um consumo de energia inferior (normalmente abaixo de 100 µW) e incluem circuitos de processamento de sinal digital de baixa potência dedicados (por exemplo, medição de período de pico R para R), além do caminho do sinal analógico. Isso diminuiria a quantidade de processamento de sinal pelo MCU. Em geral, recursos como diagnóstico aprimorado, monitoramento de parâmetro de sinal vital e medição de sinal adicional (por exemplo, Bio-Z) contribuem para a complexidade do AFE.

Conectividade de energia ultrabaixa

O último estágio do caminho do sinal no nó do sensor de ECG é algum tipo de conectividade sem fio de baixa potência para permitir a comunicação com os gateways, como smartphones ou hubs de sensores personalizados. A transmissão de dados para a plataforma de nuvem e centros de saúde pode incluir dados de ECG brutos, possível arritmia ou informações de ritmo normal, bem como alguns outros parâmetros do sistema medidos durante a operação. Atualmente, o Bluetooth de baixa potência é uma das interfaces sem fio mais comumente usadas. Os tipos de conectividade NB-IoT e CAT-M estão sendo avaliados para uso futuro.

A tendência para um formato menor, mais econômico e patches de ECG descartáveis ​​significativamente mais duradouros significa um nível mais alto de integração para o caminho do sinal de ultra-baixa potência em um dispositivo minúsculo de sistema no chip (SoC) ou sistema no pacote (SIP) . Alguns desafios enfrentados na miniaturização da eletrônica são a necessidade de um nó de processo de semicondutor de baixo custo adequado para circuitos de sinal misto de precisão de baixa potência (analógico e digital) e a disponibilidade de uma tecnologia de embalagem de pequeno porte mais econômica.

O consumo de energia ultrabaixo é um dos principais requisitos para esse novo tipo de patch de ECG, pois pode aumentar significativamente o monitoramento contínuo do sinal cardíaco / vida útil da análise além da duração atual de sete a 15 dias. O menor consumo de energia também permite que os desenvolvedores incluam monitoramento de sinais vitais adicionais, o que lhes dá uma vantagem competitiva.

Atualmente, os patches usam baterias do tipo moeda única com uma capacidade típica de várias centenas de mAh. No entanto, existem esforços para usar baterias menores, de menor capacidade e mais econômicas combinadas com um método de coleta de energia usando nós sensores "sem bateria" com base em novas tecnologias de processo de semicondutor especializadas, como óxido de silício sobre fino enterrado ( SOTB) e processos de sublimiar.

O desafio de fazer a transição dos patches de monitoramento cardíaco com base na coleta de energia dos laboratórios de pesquisa para o mercado é a disponibilidade de fontes de energia contínuas e consistentes para coletar no ponto de uso. A indústria está explorando o uso de fontes como calor corporal, vibração de movimento ou energia de RF dedicada no ambiente circundante para enfrentar este desafio importante.

Finalmente, o projeto de SoC de monitoramento cardíaco exigiria a integração bem-sucedida de circuitos de modo misto em um pedaço muito pequeno de silício sem interferência nos limites alocados no layout. Isso exigiria experiência de projeto especial para evitar a propagação do ruído gerado por circuitos digitais e de RF de comutação de alta frequência para o circuito analógico de precisão vizinho.

A IoMT está mudando o sistema de saúde reativo tradicional para um sistema preventivo mais acessível com custos potencialmente mais baixos. Combinar avanços em tecnologias de semicondutores, conectividade e ciência de materiais com o poder da IA ​​oferece o potencial para aplicações que alteram vidas para o aprimoramento da sociedade.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, Electronic Products:“Internet of medical things permite sistemas conectados de monitoramento cardíaco.”

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Ash Patel e Bahram Mirshab estão com o Segmento de Saúde, Renesas Electronics America Inc.