बेडसाइड मेडिकल डिटेक्शन उपकरणों में एआई लाभ लाने के लिए उन्नत सिमुलेशन फ्रंट-एंड और सुरक्षा उपकरणों का उपयोग करना

आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस (एआई) रोगी परीक्षण और परीक्षण डेटा से गहरी अंतर्दृष्टि प्राप्त करने में सक्षम है, जिससे नैदानिक ​​​​क्षमताओं में सुधार हुआ है और पूर्वानुमान और प्रवृत्ति विश्लेषण क्षमताओं में वृद्धि हुई है। अगला कदम एआई संचालित चिकित्सा परीक्षण और नमूना विश्लेषण को प्रयोगशाला से डॉक्टरों के कार्यालयों, क्लीनिकों या घरों में स्थानांतरित करना है। यह बेडसाइड (पीओसी) निगरानी विधि चिकित्सा स्थितियों का तुरंत आकलन कर सकती है, रोगी के बोझ को कम कर सकती है, और अधिक परिष्कृत डेटा प्रदान करने और चिंताजनक प्रवृत्तियों का तेजी से पता लगाने के लिए अधिक लगातार परीक्षण सक्षम कर सकती है।

एआई संचालित पीओसी प्राप्त करने के लिए, आवश्यक डेटा अधिग्रहण और माप के लिए विभिन्न बायोसेंसर के साथ इंटरफेस करने के लिए उन्नत एनालॉग फ्रंट-एंड (एएफई) के साथ एक बहुक्रियाशील एप्लिकेशन अनुकूलित आईसी का उपयोग करना आवश्यक है। इन आईसी को सटीकता, कम बिजली की खपत और अत्यधिक एकीकृत कार्यक्षमता सहित जटिल इलेक्ट्रोकेमिकल, जैविक और संबंधित मापों की विशिष्ट विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करना होगा। डेटा गोपनीयता सुनिश्चित करने के लिए उन्हें उन्नत सुरक्षा तकनीकों पर भी भरोसा करना चाहिए।

यह आलेख पीओसी परिवर्तन की प्रवृत्ति और डिजाइन पर इसके प्रभाव का पता लगाएगा, फिर व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले एएफई माप परिदृश्यों का वर्णन करेगा, और एनालॉग उपकरणों के उदाहरण समाधान पेश करेगा जो पीओसी माप और सुरक्षा आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं।

अब हमें PoC की आवश्यकता क्यों है?
पीओसी का पता लगाने और नमूना प्रसंस्करण को बढ़ाने के प्रेरक कारकों में शामिल हैं: व्यक्तिगत स्वास्थ्य स्थितियों में सुधार के लिए अधिक और बेहतर चिकित्सा निदान की मांग; जनसंख्या आधारित उम्र बढ़ने, बीमारियों और रोग परिवर्तनों की जरूरतों के बारे में अंतर्दृष्टि विकसित करें। नियामक नियम अधिक परीक्षण को प्रोत्साहित करते हैं या इसकी आवश्यकता भी होती है, जिसे कम लागत पर किया जाना चाहिए और परीक्षण और प्रतीक्षा समय को कम करना चाहिए। इसके अलावा, रोगियों के लिए हस्तक्षेप और लागत को कम करने के लिए क्लीनिकों या घरों में अधिक स्थानीय पीओसी स्थापित करने की प्रवृत्ति है, जिसके लिए सरल लेकिन शक्तिशाली उपकरणों की आवश्यकता होती है।

साथ ही, एआई तेजी से विकसित हो रहा है, जिससे इन डेटा का उपयोग गहन विश्लेषण और भविष्यवाणी के लिए किया जा सकता है।

ये व्यापक कारक जटिल आईसी आधारित सर्किट के लिए मांग और अवसर पैदा करते हैं जिन्हें चिकित्सा परीक्षण डेटा अधिग्रहण और प्रबंधन की अनूठी आवश्यकताओं के अनुसार अनुकूलित करने की आवश्यकता होती है। इस प्रकार का आईसी फ्रंट-एंड इंटरफ़ेस है जो रोगी के शारीरिक तरल पदार्थ को सिस्टम से जोड़ता है, जो विभिन्न सेंसर से डेटा कैप्चर करने और रिकॉर्ड करने, उसका मूल्यांकन करने और अंतिम डेटा (चित्रा 1) की रिपोर्ट करने के लिए जिम्मेदार है।

रोगी के महत्वपूर्ण संकेतों और शरीर के तरल पदार्थों और संबंधित पीओसी उपकरणों और डेटा प्रणालियों के बीच मुख्य इंटरफ़ेस आरेख (बड़ा करने के लिए क्लिक करें)
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: पल्स ऑक्सीमेट्री और हृदय गति मॉनिटर:

रक्त ऑक्सीजन संतृप्ति (SpO2) और हृदय गति महत्वपूर्ण बुनियादी स्वास्थ्य माप संकेतक हैं। पहला पैरामीटर इस बात का सबसे ज्वलंत उदाहरण प्रदान करता है कि ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकियां पीओसी की अपेक्षाओं को कैसे बदल सकती हैं। SpO2 को मापने का एकमात्र तरीका हमेशा नर्सों के लिए रक्त के नमूने लेना और उन्हें परीक्षण के लिए प्रयोगशाला में भेजना रहा है।

अब, दशकों पहले की अच्छी तरह से स्थापित इलेक्ट्रॉनिक ऑप्टिकल तकनीक के साथ, एलईडी, लाइट सेंसर और उंगलियों पर एल्गोरिदम सेकंड में तेजी से DIY रीडिंग प्रदान कर सकते हैं। इसके अलावा, एलईडी फोटोइलेक्ट्रिक सेंसर की समान व्यवस्था हृदय गति की जानकारी भी प्रदान कर सकती 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 आईसी हैं, जैसे MAX86171 (चित्रा 2, शीर्ष), जो ट्रांसमिशन और रिसेप्शन चैनलों के साथ एक अल्ट्रा-लो पावर ऑप्टिकल डेटा अधिग्रहण प्रणाली है। इसकी आंतरिक जटिलता के बावजूद, अनुप्रयोगों में केवल कुछ अलग-अलग घटकों को कॉन्फ़िगर करने की आवश्यकता होती 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, MAX86171 दो कम-शोर, चार्ज एकीकरण फ्रंट-एंड और परिवेश प्रकाश रद्दीकरण (ALC) सर्किट से सुसज्जित है, जो एक ऑप्टिकल आधारित, अत्यधिक एकीकृत उच्च-प्रदर्शन डेटा अधिग्रहण प्रणाली बनाता है।

SpO2 और हृदय गति डेटा के अलावा, यह IC हृदय गति परिवर्तनशीलता, शरीर जलयोजन, मांसपेशियों और ऊतक ऑक्सीजन संतृप्ति (SmO2 और StO2), और अधिकतम ऑक्सीजन खपत (VO2 अधिकतम) का भी मूल्यांकन कर सकता है।

कृपया ध्यान दें कि चिकित्सा अनुप्रयोगों के प्रदर्शन संकेतक और प्राथमिकताएं 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 नमूना दर आमतौर पर बहुत कम होती है क्योंकि प्रासंगिक पैरामीटर कई किलोहर्ट्ज़ की दर से नहीं बदलते हैं, रोगियों और सिग्नल के जटिल एनालॉग गुणों को विशिष्टताओं के संदर्भ में अलग-अलग प्राथमिकता क्रम की आवश्यकता होती है। इन विशेषताओं में लगातार बदलते गैर-स्थिर 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, शोर 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: पोटेंशियोमेट्रिक विधि, वर्तमान विश्लेषण विधि, वोल्ट एम्पीयर माप विधि, 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 माप 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
वर्तमान विश्लेषण विधि: धारा या धारा में परिवर्तन के आधार पर किसी समाधान में आयनों का पता लगाने के लिए धारा मापने वाले उपकरण का उपयोग करना
वोल्टामेट्रिक विधि: एक विशिष्ट वोल्टेज वक्र लागू करें जो समय के साथ कार्यशील इलेक्ट्रोड पर बदलता है और सिस्टम द्वारा उत्पन्न वर्तमान को मापता है, आमतौर पर माप के लिए एक पोटेंशियोस्टेट का उपयोग करता है।
प्रतिबाधा: त्वचा और शरीर के बीच वोल्टेज वर्तमान संबंध को मापना
इन मापदंडों का मूल्यांकन करने के लिए, AD5940 3.6 × 4.2 मिलीमीटर (मिमी) मापने वाले 56 बॉल WLCSP पैकेज में कई कार्यक्षमताएं और इंटरफ़ेस विकल्प प्रदान करता है (चित्र 3)। इस कम-शक्ति एएफई में कई कार्य 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 माप तकनीकों की आवश्यकता होती है।