बेडसाइड डायग्नोस्टिक सिस्टम बनाने के लिए लचीली एएफई, मोशन कंट्रोल तकनीक और प्रमाणित चिप्स का उपयोग करना

बेडसाइड (पीओसी) चिकित्सा परीक्षण की परिवर्तन लहर प्रयोगशालाओं से नैदानिक ​​क्लीनिकों, सामुदायिक स्वास्थ्य संस्थानों और यहां तक ​​कि घरों में स्थानांतरित हो रही है। यह परिवर्तन निदान की गति को तेज करेगा, जिससे रोगी की देखभाल में तेजी आएगी, प्रभावकारिता में सुधार होगा और लागत कम होगी।

पीओसी प्राप्त करने के लिए, पहला कदम आवश्यक डेटा अधिग्रहण और माप के लिए विभिन्न बायोसेंसर से जुड़ने के लिए उन्नत एनालॉग फ्रंट-एंड (एएफई) के साथ एक बहुआयामी एप्लिकेशन अनुकूलित एकीकृत सर्किट का उपयोग करना है। प्रत्येक आईसी को सटीकता, कम बिजली की खपत और अत्यधिक एकीकृत कार्यक्षमता सहित जटिल इलेक्ट्रोकेमिकल, जैविक और संबंधित मापों के लिए अद्वितीय विशेषता आवश्यकताओं को पूरा करना होगा। सफल अंतिम उत्पादों को उत्कृष्ट प्रदर्शन, उच्च लचीलेपन और उन्नयनशीलता की विशेषता होती है, जो दूरंदेशी प्लेटफार्मों की प्राप्ति में योगदान करती है। डेटा सटीकता और गोपनीयता सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए इन उत्पादों को सुचारू और सटीक गति नियंत्रण और प्रमाणीकरण आईसी से भी सुसज्जित किया जाना चाहिए।

यह लेख पीओसी की दिशा में बड़े परिवर्तन और डिजाइन पर इसके प्रभाव का पता लगाएगा, और फिर व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले एएफई माप परिदृश्यों का वर्णन करेगा, जिसमें लचीले समाधान पेश किए जाएंगे जो एनालॉग डिवाइस पीओसी माप, गति नियंत्रण और सत्यापन की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए प्रदान कर सकते हैं।

अब हमें PoC की आवश्यकता क्यों है?
पीओसी और नमूना प्रसंस्करण की मांग को बढ़ाने वाले कई कारक हैं, जिनमें व्यक्तिगत स्वास्थ्य स्थितियों में सुधार के लिए त्वरित चिकित्सा निदान की आवश्यकता भी शामिल है। विनियामक नियम अधिक परीक्षण को प्रोत्साहित करते हैं या अनिवार्य भी करते हैं। वर्तमान में मरीजों पर प्रभाव को कम करने, लागत कम करने और समय बचाने के लिए क्लीनिकों या घरों के पास पीओसी आयोजित करने का चलन है। इसलिए, ऐसी प्रणालियों को इन लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए सरल और उपयोग में आसान लेकिन शक्तिशाली उपकरणों और उपकरणों के उपयोग की आवश्यकता होती है।

ऐसी प्रणालियों के डिजाइनरों के लिए, एएफई, गति नियंत्रण और पहचान सत्यापन आईसी एक मध्यवर्ती इंटरफ़ेस प्रदान करता है जो रोगी के शरीर के तरल पदार्थ, महत्वपूर्ण संकेतों और विभिन्न सेंसर से परिणाम डेटा को कैप्चर करने, रिकॉर्ड करने, मूल्यांकन करने और रिपोर्ट करने के लिए आवश्यक सिस्टम को सीधे कनेक्ट कर सकता है। ये उपकरण इलेक्ट्रोकेमिकल और ऑप्टिकल डायग्नोस्टिक समाधानों के निर्माण की आधारशिला हैं, और माप इंजन प्रदान करने के लिए ऐसे समाधानों की आवश्यकता होती है जो विभिन्न प्रकार के बायोसेंसर और रसायनों के साथ-साथ एक सॉफ़्टवेयर अपग्रेड करने योग्य प्लेटफ़ॉर्म के साथ संगत हों।

रोगी के महत्वपूर्ण संकेतों और शरीर के तरल पदार्थों और संबंधित पीओसी उपकरणों और डेटा प्रणालियों के बीच इंटरफ़ेस
चित्र 1: सिमुलेशन और संबंधित इलेक्ट्रॉनिक उपकरण रोगी के महत्वपूर्ण संकेतों और शरीर के तरल पदार्थों के साथ-साथ संबंधित पीओसी उपकरणों और डेटा सिस्टम के बीच महत्वपूर्ण संचार इंटरफेस के रूप में कार्य करते हैं। (छवि स्रोत: एनालॉग डिवाइसेस)

अनुप्रयोग उन्मुख विविधीकृत आईसी को विभिन्न चुनौतियों का समाधान करने में सक्षम होना चाहिए
इस स्थिति को स्पष्ट रूप से समझाने के लिए हम कुछ उदाहरणों का उपयोग कर सकते हैं:

उदाहरण 1: ऑप्टिकल प्रतिदीप्ति जांच (एफएलडी):

इस तकनीक के माध्यम से, शोधकर्ता कोशिकाओं या ऊतकों के भीतर जैविक घटकों के वितरण, स्थानीयकरण और इंटरैक्शन का अध्ययन करने में सक्षम होते हैं, जिससे सेलुलर प्रक्रियाओं और कार्यों की विस्तृत समझ प्राप्त होती है जो आमतौर पर मानक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप द्वारा अप्राप्य होते हैं। यह तकनीक ऑप्टिकल अवशोषण, प्रकीर्णन या प्रतिबिंब सिद्धांतों के आधार पर काम करने के बजाय प्रतिदीप्ति प्रेरित फ्लोरोफोरस का उपयोग करती है।

फ्लोरोसेंट सामग्री विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के प्रकाश को अवशोषित करती है, कुछ इलेक्ट्रॉनों को उच्च ऊर्जा अवस्था में उत्तेजित करती है। जब इलेक्ट्रॉन जमीनी अवस्था में लौटते हैं, तो फ्लोरोसेंट समूह लंबी विशेषता तरंग दैर्ध्य के साथ प्रकाश उत्सर्जित करता है। उत्सर्जित प्रतिदीप्ति का पता लगाने और उसका विश्लेषण करके, जैविक संरचनाओं का उच्च कंट्रास्ट आणविक स्तर का दृश्य प्राप्त किया जा सकता है।

अधिक उन्नत एलईडी और फोटोइलेक्ट्रिक सेंसर प्रणाली हमें अधिक प्रदर्शन और कार्यक्षमता प्रदान करती है। इन अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए कुछ IC हैं, जैसे MAX86171 (चित्र 2, शीर्ष)। यह ट्रांसमिशन और रिसेप्शन चैनलों के साथ एक अल्ट्रा-लो पावर ऑप्टिकल डेटा अधिग्रहण प्रणाली है। इसकी आंतरिक जटिलता के बावजूद, केवल कुछ अलग-अलग घटकों को अनुप्रयोगों में कॉन्फ़िगर करने की आवश्यकता है (चित्रा 2, नीचे)।

MAX86171 मल्टी-चैनल, अल्ट्रा-लो पावर, एनालॉग डिवाइसेस से ऑप्टिकल डेटा अधिग्रहण प्रणाली (बड़ा करने के लिए क्लिक करें)
चित्र 2: MAX86171 मल्टी-चैनल, अल्ट्रा-लो पावर, ऑप्टिकल डेटा अधिग्रहण प्रणाली (शीर्ष छवि) अपने अत्यधिक एकीकृत आंतरिक कार्यों (नीचे छवि) के साथ बाहरी वायरिंग और निष्क्रिय सहायक घटकों की आवश्यकता को सरल बनाती है। (छवि स्रोत: एनालॉग डिवाइसेस)

ट्रांसमीटर की ओर, MAX86171 9 प्रोग्रामयोग्य एलईडी ड्राइवर आउटपुट पिन से सुसज्जित है, प्रत्येक 3 उच्च वर्तमान 8-बिट एलईडी ड्राइवरों से जुड़ा है। रिसीवर की ओर, आईसी दो कम-शोर, चार्ज एकीकृत फ्रंट एंड और परिवेश प्रकाश रद्दीकरण (एएलसी) सर्किट से सुसज्जित है, जो एक ऑप्टिकल आधारित, अत्यधिक एकीकृत उच्च-प्रदर्शन डेटा अधिग्रहण प्रणाली बनाता है।

उन डिज़ाइनों के लिए जिन्हें कम ऑप्टिकल चैनलों की आवश्यकता होती है, MAX86178ENJ+डिवाइस का उपयोग किया जा सकता है, जो एक अल्ट्रा-लो पावर, क्लिनिकल ग्रेड वाइटल साइन AFE है जो छह एलईडी और चार फोटोडायोड इनपुट का समर्थन कर सकता है।

कृपया ध्यान दें कि चिकित्सा अनुप्रयोगों के प्रदर्शन संकेतक और प्राथमिकताएं ऑप्टिकल डेटा चैनल जैसी गैर-चिकित्सा स्थितियों से भिन्न हैं। अपेक्षाकृत कम प्रकाश स्तर के कारण, सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) के बजाय ऑप्टिकल फ्रंट-एंड का पूर्ण पृष्ठभूमि शोर एक प्रमुख पैरामीटर है।

यद्यपि बायोमेडिकल क्षेत्र में, सिग्नल बैंडविड्थ और नमूनाकरण दर आमतौर पर बहुत कम होती है, और संबंधित पैरामीटर कई किलोहर्ट्ज़ की दर से नहीं बदलते हैं, रोगी शारीरिक प्रणालियों और संकेतों की जटिल सिमुलेशन विशेषताओं के लिए हमें तकनीकी विशिष्टताओं में अलग-अलग प्राथमिकताएं निर्धारित करने की आवश्यकता होती है। इन विशेषताओं में लगातार बदलते ऑपरेटिंग वातावरण से सफलतापूर्वक निपटने के लिए उच्च संवेदनशीलता, विस्तृत गतिशील रेंज और कम शोर शामिल हैं। इस वातावरण में, रोगी की त्वचा और आंतरिक अंग लगातार हिलते रहेंगे, और थोड़ी सी हलचल से भी संपर्क क्षेत्र और संपर्क बल में परिवर्तन हो सकता है। इसके अलावा, ये विशेषताएँ विभिन्न हस्तक्षेपों और परिवर्तनों से भी प्रभावित होती हैं, जिससे समस्या अधिक जटिल हो जाती है।

एप्लिकेशन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, MAX86171 की गतिशील रेंज परीक्षण लेआउट के आधार पर 91 और 110 डेसिबल (डीबी) के बीच है। इसका रिज़ॉल्यूशन 19.5 बिट्स है, डार्क करंट शोर 50 पिकोएम्प्स (पीए) (प्रभावी मूल्य) से कम है, और 120 हर्ट्ज़ (हर्ट्ज) पर परिवेश प्रकाश दमन गुणांक 70 डीबी से बेहतर है।

उदाहरण # 2: पोटेंशियोमीटर, एम्पीयर मीटर, वोल्टामेट्री, और प्रतिबाधा माप:

आजकल, इलेक्ट्रिकल इंजीनियर विभिन्न मानक उपकरणों का उपयोग करके वोल्टेज, करंट, प्रतिबाधा और उनके अंतर्संबंधों को कुशलतापूर्वक माप सकते हैं। हालाँकि, इन मापों की रासायनिक और जैविक वातावरण में अद्वितीय आवश्यकताएँ और सीमाएँ हैं, और विभिन्न परिदृश्य प्रस्तुत करते हैं:

पोटेंशियोमेट्रिक विधि: किसी घोल में पदार्थों की सांद्रता निर्धारित करने के लिए दो इलेक्ट्रोडों के बीच क्षमता को मापने के लिए एक पोटेंशियोस्टेट का उपयोग करना
एम्पीयर मीटर: करंट या करंट में परिवर्तन के आधार पर किसी घोल में आयनों का पता लगाने के लिए करंट मापने वाले उपकरण का उपयोग करना
वोल्टामेट्री: एक कार्यशील इलेक्ट्रोड पर समय के साथ एक विशिष्ट वोल्टेज वक्र लागू करना और सिस्टम द्वारा उत्पन्न वर्तमान को मापना, आमतौर पर माप के लिए एक पोटेंशियोस्टेट का उपयोग करना।
प्रतिबाधा: त्वचा और शरीर के बीच वोल्टेज वर्तमान संबंध को मापना
इन मापदंडों का मूल्यांकन करने के लिए, 3.6 × 4.2 मिलीमीटर (मिमी) के आकार वाले AD5940 56 बॉल WLCSP का उपयोग किया जा सकता है (चित्र 3)। इस कम-शक्ति वाले एएफई में कई फ़ंक्शन और इंटरफेस हैं, जो विशेष रूप से पोर्टेबल अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन किए गए हैं जिनके लिए एम्पीयर, वोल्ट एम्पीयर या प्रतिबाधा माप जैसी उच्च-परिशुद्धता इलेक्ट्रोकेमिकल तकनीक की आवश्यकता होती है।