Tendinţe curente şi viitorul electronicii medicale

18 SEPTEMBRIE 2009

Management energetic
O tendinţă importantă în următoarele decenii va fi proliferarea echipamentelor electronice medicale portabile. Luarea deciziilor de gestionare a energiei consumate încă din ciclul de proiectare va ajuta la definirea optimizărilor la nivel de sistem ce pot fi necesare pentru a răspunde obiectivelor de portabilitate şi timp de funcţionare. Dispozitivele medicale portabile mici pot utiliza baterii obişnuite, pe când sistemele mai mari ar putea necesita acumulatori cu diferite chimii şi dimensiuni.
Caracteristici precum DPPM (dynamic power path management) permit sistemului să tragă energie independent de calea de încărcare a acumulatorilor. Aceasta permite unui dispozitiv cu baterii complet descărcate să fie utilizat imediat ce este conectat la priză, în loc să dureze un timp pentru încărcarea acumulatorilor. Acest lucru poate salva vieţi într-o situaţie de urgenţă.
Deoarece tensiunile pe baterii nu au o cădere liniară, monitorizarea numai a tensiunii nu va genera o citire corectă a duratei de viaţă a bateriei. În special treimea din mijloc a scării de tensiune cuprinde de la 60 la 70% din timpul de descărcare. Numărătoarea Coulomb nu va compensa îmbătrânirea bateriei, aşa că în timp îşi va “asuma” starea bateriei. Monitorizarea impedanţei permite dispozitivelor medicale să calculeze timpul de funcţionare rămas cu eroare de numai un procent pe întreaga durată de viaţă a bateriei. Acest lucru este adesea acompaniat de integrarea unei translaţii de tensiune pentru a extrage tensiunile individuale ale celulelor şi curentul de încărcare/ descărcare. Ca protecţii suplimentare în soluţiile de putere portabile includ protecţie la supratensiune, subtensiune, supracurent şi scurtcircuit.
Siguranţa în funcţionarea sistemului este critică în cazul electronicii medicale, astfel încât autentificarea bateriei este o cerinţă cheie. În cazul unora dintre produsele de management energetic a bateriilor este utilizat un sistem de comunicaţii bidirecţionale pe un singur fir pentru legarea la un ID de dispozitiv pe 96-biţi; un cod de 16 biţi unic pe dispozitiv; şi un CRC pe 16 biţi specific dispozitivului cu scopul de a oferi securitate. Aceasta este o metodă eficientă de a valida că bateria în uz întruneşte cerinţele OEM. Utilizarea unui pachet de baterii incorect poate avea un impact negativ asupra duratei de lucru a sistemului, precum şi poate conduce la deteriorarea sistemului sau poate cauza răniri. Un management energetic potrivit permite portabilitatea şi o face să fie disponibilă prin asigurarea atât a unei durate de viaţă crescute pentru baterie, cât şi a siguranţei necesare.

Miniaturizare & Integrare
Ultrasunetele reprezintă un segment al pieţei imagisticii medicale ce implică înalte nivele de inovare în echipamentele portabile. Sistemele portabile avansate bazate pe ultrasunete ale producătorilor de astăzi necesită soluţii înalt integrate şi scalabile. Aceasta permite personalului medical să iasă din laborator sau din birou pentru a ajunge la clienţi în situaţii de urgenţă sau în zone izolate oriunde în lume.
Integrarea continuă să susţină această tendinţă de portabilitate şi de asemenea să conducă la economii. Un bun exemplu al acestui lucru poate fi ilustrat în spaţiul imagisticii ultrasonice. Odată cu maximizarea eficienţei utilizării memoriei şi consumului energetic, procesoarele embedded joacă un rol cheie în realizarea unui echilibru între energie consumată, flexibilitate, durata de viaţă a bateriei şi dimensiunea sistemului în cadrul dispozitivelor de imagistică medicală. De exemplu DSP-urile de înaltă performanţă de astăzi au suficientă putere pentru a aborda eficient procesarea digitală din cadrul sistemelor ultrasonice. În acelaşi timp programabilitatea DSP-urilor furnizează capacitatea de a implementa cele mai noi algoritme software disponibile fără schimbarea hardware-ului sistemului. Echipele de dezvoltare OEM beneficiază de performanţele crescute ale sistemelor şi de reducerea timpului până la lansarea pe piaţă furnizate de înalta integrare la nivel de sistem ce poate fi găsită pe DSP SOC (system-on-chips). Prin furnizarea unei combinaţii potrivite între procesare DSP, control general, periferice dedicate şi compresie video şi de imagine optimizată, aceste SOC oferă o soluţie într-o singură capsulă economică şi de consum energetic redus. Acest lucru permite dezvoltatorilor să reducă spaţiul de placă ocupat şi timpul de proiectare, permiţându-le să se concentreze mai mult pe eforturile de dezvoltare ale diferitelor produse.
Suplimentare integrării continue de tehnologii de procesare embedded, cheia portabilităţii dispozitivelor ultrasonice o reprezintă integrarea lanţului de semnal analogic. Pe partea de recepţie analogică a lanţului de semnal, un singur AFE (analog front end) integrat poate genera funcţiile: canale multiple discrete LNA, VCA, PGA, filtru trece jos şi conversie analog-digitală de mare viteză, oferind ieşirile de date LVDS. Prin reducerea numărului de dispozitive ale sistemului, AFE-ul integrat poate scade consumul energetic cu până la 20%, oferind un zgomot mai redus cu 40%, şi economisind 40% din spaţiul de placă.
Ca rezultat, apar reduceri de cost semnificative ale sistemului. AFE-urile integrate ating nivele ale performanţei imaginii potrivite pentru sistemele ultrasonice de toate dimensiunile, de la portabile la înalt performante.
Sunt aşteptate kituri de unelte hardware şi software construite specific pentru a evidenţia mai bine aceste tehnologii. Acesta este un moment important pentru tehnologia imagisticii medicale, datorită unor integrări înalte cuplate cu kituri de unelte la nivel de sistem, se presupune să evolueze cu viteze mai mari decât înainte.

Conectivitate şi monitorizare de la distanţă a pacienţilor
Pentru conectivitate în 2009 şi în anii ce urmează, ne putem aştepta ca unele elemente discrete ale puzzle-lului de ecosistem să se unească, oferind informaţii importante în telemedicină şi telesănătate. Integritatea datelor, flexibilitatea sistemului şi mobilitatea sunt factori importanţi pentru majoritatea sistemelor de monitorizare a pacienţilor. Interfeţe precum Ethernet sau wireless permit spitalelor legarea în reţea a tuturor echipamentelor, precum şi conectarea la casa unui pacient. Interfeţele de astăzi permit celor care oferă îngrijire să se conecteze de la distanţă la un pacient printr-o reţea wireless de senzori de corp purtaţi de acesta. Aceşti senzori pot fi conectaţi la reţeaua internă a spitalului sau la sistemul de securitate a casei pacientului sau la telefonul mobil. Sistemul prin Ethernet sau Call Center permite o monitorizare constantă a pacientului izolat la domiciliul său. Se pare că, Continua Health Alliance, o organizaţie deschisă non profit ce numără printre membrii săi companii de îngrijire medicală şi de tehnologii unite pentru a colabora la îmbunătăţirea calităţii dispozitivelor personale de îngrijire medicală, ar putea adopta tehnologia Bluetooth®. Continua a câştigat recent Premiul de inovare al Preşedintelui ATA în 2009 pentru munca sa în telemedicină, şi primul său protocol wireless include un profil de dispozitiv medical. Alte interfeţe wireless precum Zigbee® pot fi de asemenea întâlnite în dispozitive medicale de uz casnic şi echipamente portabile de monitorizare a pacienţilor.
Consumul energetic, viteza de transfer de date şi distanţa de transmisie sunt trei elemente cheie în alegerea unei interfeţe wireless (vezi Figura 2). Protocolul Zigbee de exemplu, oferă o acoperire globală, un factor de umplere şi o viteză de transfer de date moderate, şi suportă o reţea de tip mesh permiţând senzori multipli în acelaşi sistem cu o distanţă mare de transmisie. Protocoalele Bluetooth şi Bluetooth Low Energy® oferă o rază de acţiune limitată, însă o viteză de transfer de date mai mare. Bluetooth Low Energy este mult mai eficientă energetic pe partea de senzori, permiţând baterii cu factor de formă mai mic decât în cazul Bluetooth clasic.
În cele din urmă, alegerea soluţiei trebuie să se încadreze cerinţelor legate de bugetul energetic al sistemului şi celor legate de transferul de date.
Trecerea îngrijirii pacientului de la mediul de spital la cel de acasă prin utilizarea acestor tehnologii depinde de adoptarea vitezei de trecere la monitorizare RPM (remote patient monitoring). RPM va reprezenta activarea tehnologiei ce va permite trecerea amintită. RPM, precum şi reţeaua de senzori de corp BAN (body area networking), examplu în Figura 3, va fi lentă în dezvoltare în Statele Unite datorită lipsei unui climat favorabil de rambursare financiară pentru pacienţi şi personalul de îngrijire. Adoptarea RPM este foarte dependentă de rambursarea financiară, de care este nevoie pentru a permite plata personalului de îngrijire pentru monitorizare de la distanţă, diagnostic şi terapie. Încercările de interoperabilitate ale acestor ecosisteme sunt de asemenea importante şi trebuie să se dovedească eficiente, iar apoi trebuie urmate de un model de rambursare favorabil.

Securitatea datelor
O altă grijă şi cerinţă cheie este securitatea datelor medicale. HIPAA (Health Insurance Portability and Accountability Act) din 1996 defineşte standardele federale, şi poate fi sprijinită cu diferite tehnici de siguranţă. În cadrul acestor standarde sunt reguli specifice de securitate şi intimitate. Aceste reguli interzic transmiterea datelor în reţele deschise şi descărcarea lor pe calculatoare publice. Ele necesită de asemenea criptarea datelor şi controlul accesului.
Aceste tehnici de siguranţă sunt potrivite oriunde în lume, astfel că vă puteţi aştepta să vedeţi acum şi în următorul deceniu din ce în ce mai multe unelte hardware şi software cu suport de securitate a datelor medicale.
De exemplu, câteva transceivere RF wireless conforme IEEE 802.15.4 proiectate pentru aplicaţii portabile cu consum redus şi joasă tensiune, furnizează operaţii de securitate hardware MAC pentru autentificare şi criptare de date. Unele oferă diferite moduri de criptare/decriptare, precum CTR (counter mode) şi autentificare şi criptare CMC-MAC. Desigur că aceste chei trebuie determinate şi stabilite cu scopul de a utiliza aceste operaţiuni de securitate, ceea ce înseamnă că sunt lăsate uzual pe cel mai înalt nivel al protocolului de comunicaţie. De exemplu CC2530 este conform cu numeroase protocoale de reţea precum IEEE 802.15.4, Zigbee, Zigbee RF4CE, Smart Energy şi Internet protocol (IP). El oferă de asemenea un standard guvernamental de criptare avansată (AES) criptare/decriptare pe 128 de biţi. Nucleul suportă operaţiile AES solicitate de securitatea MAC IEEE 802.15.4, nivelul de reţea Zigbee şi nivelul de aplicaţii, furnizând astfel securitate suplimentară.
Stabilind standardele federale impuse cu privire la transmiterea datelor pacienţilor şi necesitatea de protecţie a acestor date, este de aşteptat apariţia acum şi în următorul deceniu a mai multor unelte hardware şi software cu suport pentru securitatea datelor medicale.

Calitate şi siguranţă în funcţionare
Preocupările companiilor de echipamente medicale se schimbă odată cu cerinţele de calitate guvernamentale, regulamentele agenţiilor internaţionale şi climatul legal curent. La proiectarea semiconductoarelor pentru OEM medicale, consideraţiile de calitate şi siguranţă în funcţionare sunt maxime. Includerea produselor îmbunătăţite (EP) în catalog aduce extinderea duratelor de viaţă ale produselor, buna definire şi îmbunătăţire a proceselor de control. Pentru a răspunde cerinţelor pieţei medicale, liniile de fabricaţie dedicate şi controlate elimină efectiv variaţiile facility-to-facility, extind utilizarea calificărilor, îmbunătăţesc trasabilitatea produselor, precum şi rigorile testării produselor. Îmbunătăţirea fluxului de produse poate conduce la economii ale producătorilor şi reducerea timpilor de lansare pe piaţă, oferind o alternativă la depistarea a ceea ce este banal pe pieţele de înaltă siguranţă în funcţionare. O altă cale de abordare a acestor preocupări este adoptarea unor părţi din ISO13485, un sistem de management al calităţii pentru dispozitive medicale şi aplicarea lor în industria semiconductoarelor.

Concluzie
Viitorul electronicii medicale va fi plin de tehnologii care să permită portabilitate, conectivitate şi securitatea datelor. Asigurând aceste tehnologii, sistemele vor face transferul rapid între mediul de spital către cel de acasă, permiţând celor care îngrijesc pacientul, de la medici la membri familiei, să monitorizeze evenimentele şi tendinţele biologice ale pacientului. Accesul instantaneu şi continuu la istoricul medical al pacientului şi la starea sa medicală curentă nu este o problemă de viitor, ci este de actualitate. Caracteristicile de securitate şi seturile de funcţii în sistemele de monitorizare se află la numai un pas. Portofoliul larg cu privire la soluţii de procesare analogice, dedicarea pentru siguranţă în funcţionare şi investiţiile continue pe piaţa medicală, a pus Texas Instruments într-o poziţie de lider în sprijinirea producătorilor de echipamente medicale în a-şi optimiza proiectele acum şi în viitor.

Referinţe
Pentru a descărca o copie a ghidului medical TI şi a documentelor conexe, vă rugăm să vizitaţi: www.ti.com/medicalguide-ca.

Despre autor
Steven Dean, medical marketing director la Texas Instruments, are peste 20 de ani de experienţă în industria medicală şi cea a semiconductoarelor. La ora actuală, Steven este responsabil cu gestionarea variatului portofoliu TI de produse pentru aplicaţii medicale, precum şi cu stabilirea relaţiilor cu partenerii eco-sistem din sectorul dispozitivelor medicale. Steven şi-a făcut studiile în inginerie electrică la Purdue University.

Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO
Tel: 021 204 81 00
Fax: 021 204 81 30
birou.vanzari@ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre