Revolucionando Cuidados Cardíacos com IoMT: Monitoramento Contínuo para Melhores Resultados

De acordo com os Centros de Controle de Doenças (CDC), aproximadamente 610.000 pessoas morrem de doenças cardíacas nos EUA a cada ano — isso é uma em cada quatro mortes. A saúde cardíaca é um dos parâmetros mais importantes para a saúde geral de uma pessoa. A internet das coisas médicas (IoMT) está permitindo uma nova geração de sistemas vestíveis, multi-parâmetro, de monitoramento cardíaco contínuo para melhorar o gerenciamento de saúde em uma variedade de ambientes hospitalares, clínicos, de cuidado ao paciente e domiciliares.

A IoMT é uma infraestrutura conectada para dispositivos e serviços médicos que coletam e analisam dados 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 condições cardíacas.

Designs de próxima geração buscam adicionar parâmetros que identifiquem uma gama mais ampla de arritmias usando algoritmos mais inteligentes e complexos. Por exemplo, "patches" descartáveis que se assemelham a bandagens invisíveis com alguns ICs muito pequenos poderiam ser usados confortavelmente na pele por tempos mais longos para monitorar e gerenciar a saúde cardíaca.

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

O nó de sensor de eletrocardiograma (ECG) (ex.: patch ECG ou vestimentas condutoras de monitoramento de frequência cardíaca) e o serviço de gerenciamento de dados coletam dados cardíacos do dispositivo vestível em um centro de dados. O nó de sensor é tipicamente um dispositivo de monitoramento ECG de uma ou três derivações com até três eletrodos (úmidos ou secos) conectados à eletrônica no patch.

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

Front-ends analógicos

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

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

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

Um requisito chave para o AFE é manter as características da forma de onda ECG do paciente ao longo do caminho de sinal. Isso é alcançado minimizando os efeitos de ruído e imprecisões (ex.: erro de ganho, erro de offset, etc.) ao longo do caminho de sinal sob todas as condições operacionais.

MCUs de alto desempenho

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

A primeira abordagem é tomada na nova geração de ECGs vestíveis descartáveis, exigindo MCUs de maior desempenho com engine DSP e maior memória de código/dados para detectar com precisão várias arritmias comuns on-the-fly além de armazenar maiores quantidades de dados brutos para pós-processamento. Requisitos adicionais incluem eletrônica de menor footprint, AFEs de precisão e menor consumo de energia.

A memória adicional e o maior desempenho do MCU introduzem desafios em performance de potência e tamanho do die. Esses desafios precisam ser abordados utilizando nós de processo de baixa potência avançados com geometria de célula pequena, e incluindo recursos de gerenciamento de potência para permitir esquemas eficientes de gerenciamento de potência no nível do sistema.

O MCU do sistema deve ter consumo baixo por frequência operacional (melhor que 50 µA/MHz) e incluir uma variedade de modos operacionais com frequência escalável para permitir gerenciamento de potência flexível no nível do sistema. Um método muito comum envolve ciclagem do MCU "on" e "off" 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 precisa ser o mais baixo possível. Para limitar o consumo de energia durante o processo de ciclagem de potência, o MCU deve fornecer consumo de corrente sub-microamp em modo de operação standby e ter um tempo de transição muito rápido (não mais que alguns microssegundos) de standby para o modo operacional normal para minimizar perdas de potência de comutação.

Os AFEs mais novos são requeridos para operar continuamente em menor consumo de potência (tipicamente abaixo de 100 µW) e incluir circuitos dedicados de processamento de sinal digital de baixa potência (ex. medição de período pico R-to-R) além do caminho de sinal analógico. Isso reduziria a quantidade de processamento de sinal pelo MCU. Em geral, recursos como diagnósticos aprimorados, monitoramento de parâmetros de sinais vitais e medição de sinal adicional (ex. Bio-Z) contribuem para a complexidade do AFE.

Conectividade ultra-baixa potência

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

A tendência para menor fator de forma, mais custo-efetivo e patches ECG descartáveis significativamente mais duradouros significa um nível mais alto de integração para o caminho de sinal ultra-baixa potência em um minúsculo system on chip (SoC) ou system in package (SIP). Alguns desafios enfrentados na miniaturização da eletrônica são a necessidade de um nó de processo de semicondutor custo-efetivo adequado para circuitos mixed-signal (analógico e digital) de precisão de baixa potência, e a disponibilidade de uma tecnologia de empacotamento de pequeno footprint mais custo-efetiva.

Consumo ultra-baixo de potência é um dos requisitos-chave para este novo tipo de patch ECG, pois pode aumentar significativamente a vida útil de monitoramento/análise de sinal cardíaco contínuo além da duração atual de sete a 15 dias. Menor consumo de potência também permite que desenvolvedores incluam monitoramento adicional de sinais vitais, o que lhes dá uma vantagem competitiva.

Atualmente, patches usam baterias tipo moeda únicas com capacidade típica de várias centenas de mAh. No entanto, há esforços para usar baterias menores, de menor capacidade e mais custo-efetivas combinadas com um método de energy harvesting usando nós de sensores "sem bateria" baseados em novas tecnologias de processo de semicondutor especializadas como silicon-on-thin-buried-oxide (SOTB) e processos sub-threshold.

O desafio de transicionar patches de monitoramento cardíaco baseados em energy harvesting de laboratórios de pesquisa para o mercado é a disponibilidade de fontes de energia contínuas e consistentes para colher no ponto de uso. A indústria está explorando o uso de fontes como calor corporal, vibração de movimento, ou energia RF dedicada no ambiente circundante para abordar este desafio chave.

Finalmente, o design de SoC de monitoramento cardíaco requereria integrar com sucesso circuitos de modo misto em um pedaço muito pequeno de silício sem interferência através das fronteiras alocadas no layout. Isso requereria expertise de design especial para prevenir a propagação de ruído gerado por circuitos digitais e RF de comutação de alta frequência para a circuiteria analógica de precisão vizinha.

A IoMT está mudando a saúde reativa tradicional para um sistema preventivo mais acessível com custos potencialmente menores. Combinando avanços em tecnologias de semicondutor, conectividade e ciência de materiais com o poder da IA oferece o potencial para aplicações que alteram a vida para o melhoramento da sociedade.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, Electronic Products: "Internet of medical things enables connected cardiac monitoring systems."

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