Utilizar front-ends analógicos avanzados y seguridad para llevar las ventajas de la IA a los puntos de atención médica

La inteligencia artificial (IA) ya está extrayendo información adicional de las pruebas de los pacientes y de los datos de los ensayos, mejorando los diagnósticos y potenciando las predicciones y el análisis de tendencias. El siguiente paso es trasladar las pruebas médicas y los análisis de muestras basados en IA del laboratorio a la consulta del médico, la clínica o el hogar. Este enfoque en el punto de atención (PoC) permite una evaluación rápida de las condiciones médicas, una reducción de la carga para el paciente y pruebas más frecuentes para proporcionar datos más granulares e identificar antes las tendencias preocupantes.

La implementación del PoC impulsada por IA comienza con CI versátiles y optimizados para la aplicación, con front-ends analógicos avanzados (AFE) para interactuar con biosensores y realizar las mediciones necesarias para la adquisición de datos. Estos CI deben responder a los atributos exclusivos de las sofisticadas mediciones electroquímicas, biológicas y afines, abarcando precisión, bajo consumo y funciones altamente integradas. También deben estar respaldados por una tecnología de seguridad avanzada que garantice la privacidad de los datos.

Este artículo examina el paso al PoC y sus implicaciones para el diseño. A continuación, se describen escenarios de medición de AFE ampliamente utilizados y presentan soluciones de ejemplo de Analog Devices para satisfacer los requisitos de medición y seguridad de PoC.

¿Por qué ahora para PoC?

Entre las fuerzas que impulsan el aumento de las pruebas de PoC y el procesamiento de muestras se encuentran la demanda de más y mejores diagnósticos médicos para mejorar las perspectivas de salud individual y la necesidad de desarrollar conocimientos poblacionales sobre el envejecimiento, las dolencias y las enfermedades. Los mandatos normativos fomentan e incluso exigen más pruebas, y éstas deben realizarse a un costo menor con un tiempo de prueba y espera reducido. También hay una tendencia hacia un PoC más local en una clínica o en casa para minimizar la interrupción del paciente y el gasto, lo que requiere una instrumentación sencilla pero potente.

Al mismo tiempo, la IA está evolucionando rápidamente para permitir que estos datos se utilicen en análisis y previsiones más profundos.

Estos factores combinados están creando una demanda y una oportunidad de sofisticados circuitos basados en CI optimizados para las necesidades exclusivas de adquisición y gestión de datos de pruebas médicas. Estos CI son la interfaz de primera línea entre los fluidos del paciente y los sistemas necesarios para captar, registrar, evaluar y notificar los datos resultantes de los distintos sensores (Figura 1).

Figura 1: Los componentes electrónicos analógicos y relacionados proporcionan la interfaz crítica entre las constantes vitales y los fluidos de un paciente y la instrumentación y los sistemas de datos asociados del PoC. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Diversos circuitos integrados centrados en aplicaciones para afrontar los desafíos

Algunos ejemplos ilustran claramente esta situación:

Ejemplo nº 1: Pulsioximetría y monitores de frecuencia cardíaca:

El nivel de saturación de oxígeno en sangre (SpO₂) y la frecuencia cardíaca son algunas de las mediciones básicas críticas para la salud. El primer parámetro ofrece el ejemplo más dramático de cómo la óptica y la electrónica han cambiado las expectativas del PoC. Históricamente, la única forma de medir la SpO₂ era que una enfermera extrajera una muestra de sangre y la enviara a un laboratorio para su análisis.

Ahora, utilizando la técnica electroóptica perfeccionada hace unas décadas, un LED, un fotosensor y unos algoritmos que se colocan en la punta de los dedos proporcionan una rápida lectura "hágalo usted mismo" (DIY) en cuestión de segundos. Como ventaja adicional, la misma disposición de LED-fotosensor proporciona información sobre la frecuencia cardíaca.

Los avances en los sistemas de LED más fotosensores ofrecen prestaciones y capacidades adicionales. Los circuitos integrados como el MAX86171 (Figura 2, arriba), un sistema óptico de adquisición de datos de potencia ultrabaja con canales de transmisión y recepción, están adaptados a estas aplicaciones según la funcionalidad y las especificaciones. A pesar de su complejidad interna, en una aplicación solo se necesitan unos pocos componentes discretos (Figura 2, abajo).

Figura 2: El sistema óptico de adquisición de datos multicanal y ultrabajo consumo MAX86171 (arriba) aprovecha su alto nivel de integración interna para simplificar la complejidad del cableado externo y la necesidad de componentes pasivos de soporte (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En el lado del transmisor, el MAX86171 tiene nueve pines de salida de controlador de LED programables conectados a tres controladores de LED de 8 bits de alta corriente. En el lado del receptor, el MAX86171 cuenta con dos front-ends de bajo ruido e integración de carga con circuitos de cancelación de luz ambiental (ALC), lo que da como resultado un sistema de adquisición de datos óptico de alto rendimiento y altamente integrado.

Además de los datos de SpO₂ y frecuencia cardíaca, el CI puede evaluar la variabilidad de la frecuencia cardíaca, la hidratación corporal, la saturación de oxígeno muscular y tisular (SmO₂ y StO₂) y el consumo máximo de oxígeno (VO₂ máx).

Tenga en cuenta que las cifras de méritos y prioridades de las solicitudes médicas difieren de las de las situaciones no médicas. Como los niveles de luz suelen ser relativamente bajos, el ruido de fondo absoluto de los front-ends ópticos es el parámetro crítico, más que la relación señal/ruido (SNR).

Aunque el ancho de banda y las frecuencias de muestreo son muy bajos, ya que los parámetros de interés no varían a frecuencias de varios kilohercios en el mundo biológico, la compleja naturaleza analógica de los pacientes y las señales exige diferentes conjuntos de prioridades en las especificaciones. Entre ellas se incluyen la alta sensibilidad, el amplio rango dinámico y el bajo nivel de ruido para tener éxito en un entorno cambiante y no fijo en el que la piel y los órganos internos del paciente se desplazan continuamente para cambiar el área de contacto y la fuerza, aunque sea ligeramente. También lo hacen en presencia de diversos tipos de "ruido" y variaciones que interfieren, lo que complica aún más las cosas.

Para cumplir los requisitos de la aplicación, el MAX86171 presenta un rango dinámico de entre 91 y 110 decibelios (dB) en función de la disposición de la prueba, una resolución de 19.5 bits, un ruido de corriente oscura inferior a 50 picoamperios (pA) (RMS) y una cifra de rechazo a la luz ambiente superior a 70 dB a 120 hertz (Hz).

Ejemplo nº 2: Potenciometría, amperometría, voltamperometría y medidas de impedancia:

Los ingenieros eléctricos se sienten cómodos midiendo la tensión, la corriente y la impedancia, junto con sus relaciones, eligiendo entre una amplia variedad de instrumentación estándar. Sin embargo, estas mediciones tienen requisitos y limitaciones únicos en un entorno químico y biológico y presentan escenarios distintos:

• Potenciometría: uso de un potenciostato para medir el potencial eléctrico entre dos electrodos y determinar la concentración de una sustancia en una solución.
• Amperometría: uso de una disposición amperométrica para detectar iones en una solución en función de la corriente eléctrica o de los cambios de corriente eléctrica.
• Voltamperometría: en la que se aplica un perfil de tensión específico a un electrodo de trabajo en función del tiempo y se mide la corriente producida por el sistema, normalmente mediante un potenciostato.
• Impedancia: medición de la relación entre la tensión y la corriente de la piel y el cuerpo.

Para evaluar estos parámetros, el AD5940 ofrece una amplia gama de funciones y opciones de interfaz en un WLCSP de 56 bolas que mide 3.6 × 4.2 milímetros (mm) (Figura 3). Este AFE de baja potencia está diseñado para aplicaciones portátiles que requieren técnicas electroquímicas de alta precisión, como mediciones amperométricas, voltamperométricas o de impedancia.

Figura 3: El AFE AD5940 incorpora las sofisticadas funciones necesarias para realizar mediciones amperométricas, voltamperométricas o de impedancia precisas y de bajo consumo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El AD5940 tiene dos lazos de excitación y un canal de medida común. El primer bucle consta de una cadena de doble salida, un convertidor digital-analógico (DAC) y un potenciostato de bajo ruido, y puede generar señales de 0 Hz a 200 Hz.

Una salida del DAC controla la entrada no inversora del potenciostato y la otra controla la entrada no inversora del amplificador de transimpedancia (TIA). El segundo bucle consiste en un DAC de 12 bits capaz de generar señales de excitación de hasta 200 kHz.

En el lado de entrada, hay un convertidor analógico-digital (ADC) de 16 bits y 800 kilamuestras por segundo (kS/s) con búferes de entrada, un filtro antialias y un amplificador de ganancia programable (PGA). Un multiplexor selecciona los canales de entrada para las entradas de corriente y tensión externas y los canales internos para las tensiones de alimentación, la temperatura de la matriz y las tensiones de referencia.

Las entradas de corriente incluyen dos TIA con ganancia programable y resistencias de carga para medir distintos tipos de sensores. La primera TIA mide señales de bajo ancho de banda, mientras que la segunda mide señales de alto ancho de banda de hasta 200 kHz.

Los usuarios de circuitos integrados que ofrecen este nivel de integración y versatilidad se benefician de kits de evaluación que van más allá del circuito integrado. Para el AD5940, la placa de expansión de evaluación de la plataforma Arduino del sensor de electrocardiografía (ECG/EKG) EVAL-AD5940BIOZ proporciona un entorno de desarrollo familiar (Figura 4).

Figura 4: La placa de expansión de evaluación de la plataforma Arduino del sensor de electrocardiografía (ECG/EKG) EVAL-AD5940BIOZ simplifica el desafío de utilizar y evaluar el AD5490 al realizar las mediciones sutiles y de bajo nivel para las que está diseñado. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Cada placa de evaluación AD5940 se dirige a un objetivo de medición de aplicación final específico. La placa Arduino configura y se comunica con el AD5940 a través del periférico SPI. Para la evaluación inicial, se dispone de una herramienta de interfaz gráfica de usuario (GUI) para mediciones con funciones de creación de gráficos y captura de datos. Muchos proyectos de ejemplo escritos en C integrado incluyen instrucciones sobre cómo configurar el entorno de programación y ejecutar los ejemplos.

Ejemplo nº 3: Seguridad de los datos y autenticación:

Los datos almacenados en lugares diversos y poco seguros y transmitidos mediante enlaces inalámbricos de comunicación de campo cercano (NFC) plantean graves problemas relacionados con la seguridad de los datos, la autenticidad, la prevención contra la piratería informática y el riesgo de reutilización, uso indebido y falsificación de muestras o cartuchos.

Para hacer frente a estas preocupaciones, el autenticador seguro MAX66250 (Figura 5, arriba) proporciona contramedidas sólidas, con todos los datos almacenados criptográficamente protegidos contra el descubrimiento. Es compatible con los sistemas integrados con NFC (figura 5, abajo), donde el riesgo de acceso no autorizado es mayor.

Figura 5: El MAX66250 Secure Authenticator (arriba) proporciona múltiples niveles de seguridad avanzada de datos y soporte de autenticación; también incorpora una interfaz NFC (abajo) para la transferencia inalámbrica de datos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El autenticador seguro combina la autenticación de desafío y respuesta con algoritmo de hash seguro (SHA-3) conforme a FIPS 202 con EEPROM segura. El dispositivo proporciona un conjunto básico de herramientas criptográficas derivadas de bloques integrados, incluido un motor SHA-3, 256 bits de EEPROM de usuario seguro, un contador de solo decremento y un número de identificación ROM único de 64 bits (ID ROM). La ID exclusiva de la ROM se utiliza como un parámetro de entrada fundamental para operaciones criptográficas y sirve como un número de serie electrónico dentro de la aplicación. El dispositivo se comunica a través de una interfaz de radiofrecuencia conforme a la norma ISO/IEC 15693.

Ejemplo n.º 4: Control de movimiento/motor:

Muchos dispositivos y estaciones PoC requieren un movimiento cuidadosamente controlado para transportar una tira reactiva o un tubo de ensayo entre estaciones, combinar y transferir reactivos, o agregar o liberar cantidades precisas de líquidos y realizar pipeteos. Estas aplicaciones suelen requerir un micropaso preciso y una generación suave de paradas, arranques y rampas para proporcionar un movimiento de alta resolución y sin vibraciones que permita un movimiento rápido, preciso, fiable, silencioso, reproducible y energéticamente eficiente.

El CI controlador y excitador de motor paso a paso Trinamic TMC5072-LA-T de canal único/dual (Figura 6, arriba) con interfaces de comunicación serie es adecuado para estas aplicaciones. Cuando se cablea para funcionamiento en paralelo, ofrece una capacidad de accionamiento de corriente de bobina de 1.1/1.5 A de pico por motor y 2.2/3 A de pico para un motor.

Para el funcionamiento básico, el kit de evaluación complementario TMC5072-BOB (Figura 6, abajo), que incluye un TMC5072 integrado, se conecta a un Arduino Mega mediante un receptor/transmisor asíncrono universal (UART) de un solo cable. Una interfaz gráfica de usuario (GUI) proporciona herramientas para configurar fácilmente los parámetros, visualizar los datos en tiempo real y desarrollar y depurar aplicaciones autónomas.

Figura 6: El controlador de motor paso a paso de canal único/dual TMC5072-LA-T y el CI del controlador (arriba) proporcionan un rendimiento de precisión y un funcionamiento suave; es compatible con el kit de evaluación TMC5072-BOB (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El TMC5072 combina generadores de rampa flexibles para el posicionamiento automático de objetivos y ofrece un funcionamiento silencioso, la máxima eficacia y un elevado par motor. El circuito integrado de 7 mm × 7 mm ofrece otras funciones avanzadas:

• stealthChop2™ para un funcionamiento silencioso y suave movimiento
• Convertidor de control de motor altamente dinámico SpreadCycle
• DCStep para el control de velocidad dependiente de la carga
• Detección de carga del motor sin sensores de alta precisión stallGuard2
• Control de corriente coolStep para ahorro de energía de hasta un 75%

Conclusión

Una combinación de avances tecnológicos tiene el potencial de llevar los beneficios de la IA a las PoC médicos localizados. Esto requiere circuitos integrados centrados en las aplicaciones, como AFE avanzados y bloques de seguridad de datos. Analog Devices ofrece muchas opciones de dispositivos de alto rendimiento y bajo consumo optimizados para estas aplicaciones que cumplen los requisitos técnicos, médicos y normativos.