Uso de circuitos integrados flexibles de AFE, control de movimiento y autenticación para diseñar sistemas de diagnóstico en el punto de atención sanitaria

La tendencia hacia las pruebas médicas en el punto de atención (PdC) se está trasladando del laboratorio a la consulta del médico, la clínica o incluso el hogar. Esta migración tiene el potencial de acelerar los diagnósticos, lo que se traduce en una atención más rápida al paciente, mejores resultados y menores costos.

La implementación de la PoC comienza con circuitos integrados versátiles y optimizados para la aplicación, con frontales analógicos avanzados (AFE) para interactuar con diversos biosensores y realizar las mediciones necesarias para la adquisición de datos. Cada CI debe responder a los atributos exclusivos de las sofisticadas mediciones electroquímicas, biológicas y afines, abarcando precisión, bajo consumo y funciones altamente integradas. Los productos finales de éxito se caracterizan por su alto rendimiento, así como por su flexibilidad y capacidad de actualización para contribuir a que una plataforma esté preparada para el futuro. También, deben contar con el apoyo de circuitos integrados de control de movimiento y autenticación suaves y precisos para garantizar la exactitud y privacidad de los datos.

Este artículo examina el paso a la PdC y sus implicaciones para el diseño. A continuación, describe escenarios de medición AFE ampliamente utilizados y presenta soluciones flexibles de Analog Devices para satisfacer los requisitos de medición PoC, control de movimiento y autenticación.

¿Por qué ahora para PoC?

Entre las fuerzas que impulsan el aumento de las pruebas de PdC y el procesamiento de muestras, se encuentra la demanda de diagnósticos médicos más rápidos para mejorar los resultados de la salud individual. Los mandatos normativos fomentan e incluso exigen más pruebas. También, hay una tendencia hacia el PoC localizado en una clínica o en el hogar para minimizar las molestias, los gastos y el tiempo del paciente. Estos sistemas requieren una instrumentación sencilla pero potente para cumplir estos objetivos.

Para los diseñadores de estos sistemas, los AFE, el control del movimiento y los circuitos integrados de autenticación son la interfaz de primera línea entre los fluidos y las constantes vitales del paciente y los sistemas necesarios para capturar, registrar, evaluar y notificar los datos resultantes de los distintos sensores. Son los componentes básicos de las soluciones de diagnóstico electroquímico y óptico necesarias para proporcionar un motor de medición que complemente una amplia gama de biosensores y productos químicos, al tiempo que permiten disponer de una plataforma actualizable mediante software (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 PdC. (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: Detección de fluorescencia óptica (FLD):

Esta técnica permite a los investigadores estudiar la distribución, localización e interacciones de los componentes biológicos dentro de las células o los tejidos, lo que proporciona una visión detallada de los procesos y funciones celulares que a menudo resultan invisibles con la microscopía óptica estándar. Utiliza fluoróforos inducidos por fluorescencia, en contraposición a la absorción óptica, la dispersión o la reflexión.

Un fluoróforo absorbe luz a una longitud de onda determinada, excitando algunos de sus electrones a un estado de mayor energía. Cuando los electrones vuelven a su estado básico, el fluoróforo emite luz a una longitud de onda de emisión característica más larga. Esta fluorescencia emitida se detecta y analiza, proporcionando una visualización de alto contraste y a nivel molecular de las estructuras biológicas.

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. 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 el 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 clavijas de salida de LED programables conectadas a tres controladores de LED de 8 bits de alta corriente. En el lado del receptor, el circuito integrado cuenta con dos frontales de bajo ruido e integración de carga con circuitos de cancelación de la luz ambiental (ALC), lo que da lugar a un sistema óptico de adquisición de datos de alto rendimiento y gran integración.

Para diseños que requieren menos canales ópticos, el MAX86178ENJ+ es un AFE de signos vitales de grado clínico y consumo ultrabajo que admite hasta seis LED y cuatro entradas de fotodiodo.

Hay que tener en cuenta que las cifras de mérito y las prioridades de las aplicaciones médicas difieren de las de situaciones no médicas, como los canales ópticos de datos. Como los niveles de luz suelen ser relativamente bajos, el ruido de fondo absoluto de los frontales 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, y 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 quirúrgico cambiante en el que la piel y los órganos internos del paciente se desplazan continuamente para modificar el área de contacto y la fuerza, aunque sea ligeramente. También lo hacen en presencia de diversos tipos de interferencias y variaciones, 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 hercios (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 AD5940 AFE 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 kilohercios (kHz).

En la entrada hay un convertidor analógico-digital (ADC) de 16 bits y 800 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). Este kit también ayuda a preparar los diseños para el futuro cuando se añadan nuevos requisitos de ensayo, ya que la plataforma puede actualizarse mediante software.

Figura 4: La placa de expansión de evaluación de la plataforma Arduino del sensor de electrocardiografía (ECG/EKG) EVAL-AD5940BIOZ simplifica el reto 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 n.º 3: Autenticación de datos:

Los datos almacenados en diversas ubicaciones y transmitidos mediante enlaces inalámbricos de comunicación de campo cercano (NFC) plantean problemas relacionados con la autenticidad de los datos e incluso con 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 núcleo de herramientas criptográficas derivadas de bloques integrados, que incluyen un motor de hardware asimétrico, un generador de números aleatorios reales (TRNG), 3 Kb de EEPROM segura, un contador de sólo lectura y un número de identificación de ROM de 64 bits único (ID ROM). El ID exclusivo 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.

Para enlaces cableados, el autenticador seguro SHA-3 1-Wire DS28E16Q+U proporciona las mismas herramientas criptográficas que el MAX66250, incluido una ID de ROM única.

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 amperios (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) incluye un TMC5072 integrado y 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 controlador IC (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 × 7 mm ofrece funciones avanzadas adicionales:

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

Por supuesto, un único dispositivo de control de movimiento no es óptimo para todas las necesidades del sistema PoC, por muy cargado de funciones que esté. Por este motivo, Analog Devices ofrece una amplia gama de circuitos integrados relacionados con motores y funciones de soporte para PoC, entre las que se incluyen:

• TMC4671-LA: servocontrolador integrado que proporciona control orientado al campo (FOC) para motores síncronos de CC sin escobillas e imanes permanentes (BLDC/PMSM) y motores paso a paso bifásicos.
• TMC4671-LEV-REF: diseño de referencia para TMC4671 con servocontrolador BLDC
• TMC5240ATJ+T: controlador de motor paso a paso inteligente y de alto rendimiento y CI del controlador con interfaces de comunicación en serie (versión de un solo eje del TMC5072)
• TMC4361A-LA-T: controlador de movimiento para controladores de motores paso a paso, que ofrece rampa en forma de S en aplicaciones de perfil de movimiento rápido y con sacudidas limitadas.
• TMC2240ATJ-T: controlador paso a paso integrado inteligente con interfaces paso/dirección y SPI.

Conclusión

Una combinación de factores está impulsando muchas pruebas y evaluaciones médicas hacia un modelo de PdC más localizado y de respuesta rápida. Los circuitos integrados altamente integrados y centrados en aplicaciones como AFE, control de movimiento y autenticación permiten esta tendencia. Analog Devices ofrece muchas opciones de dispositivos de alto rendimiento y bajo consumo optimizados para estas aplicaciones que cumplen los requisitos técnicos y normativos. También, ofrecen la flexibilidad y la capacidad de actualización necesarias para una plataforma preparada para el futuro.

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