의료 사물 인터넷으로 보다 효과적인 의료 지원

질병 통제 센터(CDC)에 따르면 매년 미국에서 약 610,000명이 심장병으로 사망합니다. 이는 4분의 1에 해당하는 수치입니다. 심장 건강은 사람의 전반적인 건강에 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다. 의료 사물 인터넷(IoMT)은 차세대 웨어러블, 다중 매개변수, 지속적인 심장 모니터링 시스템을 구현하여 다양한 병원, 진료소, 환자 치료 및 가정 환경에서 의료 관리를 개선합니다.

IoMT는 의료 서비스 제공자에게 전송되는 데이터를 수집 및 분석하는 의료 기기 및 서비스를 위한 연결된 인프라입니다. 오늘날 이러한 장치에는 온도, 습도 및 진동을 측정하는 센서와 제한된 수의 심장 상태를 식별하는 알고리즘이 포함됩니다.

차세대 디자인은 더 스마트하고 복잡한 알고리즘을 사용하여 더 넓은 범위의 부정맥을 식별하는 매개변수를 추가하려고 합니다. 예를 들어, 몇 개의 매우 작은 IC가 있는 보이지 않는 붕대와 유사한 일회용 "패치"는 심장 건강을 모니터링하고 관리하기 위해 더 오랜 시간 동안 피부에 편안하게 착용할 수 있습니다.

연결된 심장 모니터링 시스템에는 웨어러블 무선 센서 노드, 데이터 관리 서비스, 클라우드 기반 분석 플랫폼의 세 가지 주요 요소가 포함됩니다.

심전도(ECG) 센서 노드(예:ECG 패치 또는 심박수 모니터링 전도성 의류) 및 데이터 관리 서비스는 데이터 센터의 웨어러블 장치에서 심장 데이터를 수집합니다. 센서 노드는 일반적으로 패치의 전자 장치에 부착된 최대 3개의 전극(습식 또는 건식)이 있는 1-리드 또는 3-리드 ECG 모니터링 장치입니다.

클라우드 기반 플랫폼은 잠재적인 비정상 심장 기능을 식별하기 위해 복잡한 알고리즘과 인공 지능(AI) 엔진을 사용하여 심장 데이터를 수집하고 분석합니다. 결과는 환자의 의료 기록에 추가되어 지정된 의료 기관 및 담당 심장 전문의에게 제공될 수 있습니다.

아날로그 프런트 엔드

ECG 신호 조절 경로(그림 1 )에는 아날로그 파형을 감지, 증폭 및 정리하는 데 사용되는 아날로그 단계가 포함됩니다. ECG 신호 진폭의 범위는 수백 마이크로볼트에서 약 5밀리볼트입니다. 신호에는 AC 라인에서 결합된 저주파(50/60Hz) 잡음, 신체 근육에서 나오는 고주파 잡음 및 종종 장치 근처에 있는 다른 장비의 RF 잡음이 포함됩니다. 웨어러블 기기의 경우, ECG 신호 기준선은 동작 아티팩트로 인해 바람직하지 않은 변동이 있을 수 있습니다.

따라서 매우 복잡한 AFE(아날로그 프런트 엔드)는 종종 ECG 신호를 정리하고 디지털화하는 데 사용됩니다. AFE에는 RF 노이즈를 제거하기 위한 EMI 필터가 포함되어 있습니다. 베이스 라인 변동을 제거하기 위해 전형적인 0.5Hz 코너 주파수를 갖는 고역 통과 필터; 대역 외 신호를 필터링하기 위한 전형적인 150Hz 코너 주파수를 갖는 저역 통과 필터; 50/60Hz 노이즈를 필터링하는 노치 필터; 신호를 증폭하는 저잡음 프로그래밍 가능한 계측 증폭기와 샘플링된 데이터의 사후 처리를 위해 신호를 디지털화하는 아날로그-디지털 변환기.

그림. 1:일반적인 IoMT 연결 심장 모니터링 센서 노드 및 관련 신호 경로.

AFE의 핵심 요구 사항은 신호 경로 전체에서 환자의 ECG 파형 특성을 유지하는 것입니다. 이는 모든 작동 조건에서 신호 경로 전체에 걸쳐 노이즈 및 부정확성(예:이득 오류, 오프셋 오류 등)의 영향을 최소화함으로써 달성됩니다.

고성능 MCU

경로의 다음 단계는 디지털화된 ECG 데이터의 사후 처리 및/또는 하우스키핑을 위한 마이크로컨트롤러(MCU)입니다. 웨어러블 모니터링 장치의 유형에 따라 웨어러블 센서에서 샘플링된 원시 ECG 데이터는 가장 흔한 심장 부정맥을 감지하기 위해 즉석에서 분석된 다음 시스템의 비휘발성 메모리에 저장되거나 메모리에 저장됩니다. 기기 수명 종료 시 오프라인 분석

전자의 접근 방식은 차세대 일회용 웨어러블 ECG에서 채택되었으며, 사후 처리를 위해 더 많은 원시 데이터를 저장하는 것 외에도 여러 일반적인 부정맥을 신속하게 정확하게 감지하기 위해 DSP 엔진 및 더 높은 코드/데이터 저장 메모리가 있는 고성능 MCU가 필요합니다. 처리. 추가 요구 사항에는 더 작은 풋프린트 전자 장치, 정밀 AFE 및 더 낮은 전력 소비가 포함됩니다.

MCU의 추가 메모리와 더 높은 성능은 전력 성능과 다이 크기 면에서 문제를 야기합니다. 이러한 문제는 소형 셀 구조의 고급 저전력 프로세스 노드를 활용하고 시스템 수준에서 효율적인 전력 관리 체계를 허용하는 전력 관리 기능을 포함하여 해결해야 합니다.

시스템 MCU는 작동 주파수당 소비량이 낮아야 하며(50µA/MHz 이상) 시스템 수준에서 유연한 전원 관리를 허용하기 위해 확장 가능한 주파수가 있는 다양한 작동 모드를 포함해야 합니다. 매우 일반적인 방법은 시스템의 일부 사용자 지정 독점 사용 모델을 기반으로 하는 프로필을 사용하여 MCU를 "켜기" 및 "끄기"로 순환하는 것입니다.

라디오와 MCU는 시스템의 전력 소비를 지배하므로 사용량을 최대한 줄여야 합니다. 전력 사이클링 프로세스 동안 전력 소비를 제한하기 위해 MCU는 대기 작동 모드에서 서브 마이크로암페어 전류 소비를 제공해야 하며 스위칭 전력 손실을 최소화하기 위해 대기 모드에서 정상 작동 모드로의 매우 빠른 전환 시간(수 마이크로초 이내)을 가져야 합니다. .

최신 AFE는 더 낮은 전력 소비(일반적으로 100μW 미만)에서 지속적으로 작동해야 하며 아날로그 신호 경로 외에 전용 저전력 디지털 신호 처리 회로(예:R-to-R 피크 주기 측정)를 포함해야 합니다. 이것은 MCU의 신호 처리량을 낮출 것입니다. 일반적으로 향상된 진단, 생체 신호 매개변수 모니터링 및 추가 신호 측정(예:Bio-Z)과 같은 기능은 AFE의 복잡성에 기여합니다.

초저전력 연결

ECG 센서 노드에서 신호 경로의 마지막 단계는 스마트폰이나 맞춤형 센서 허브와 같은 게이트웨이와의 통신을 가능하게 하는 일종의 저전력 무선 연결입니다. 클라우드 플랫폼 및 의료 센터로의 데이터 전송에는 원시 ECG 데이터, 가능한 부정맥 또는 정상 리듬 정보는 물론 작동 중에 측정된 일부 기타 시스템 매개변수가 포함될 수 있습니다. 현재 저전력 블루투스는 가장 일반적으로 사용되는 무선 인터페이스 중 하나입니다. NB-IoT 및 CAT-M 연결 유형은 향후 사용을 위해 평가되고 있습니다.

더 작은 폼 팩터, 더 비용 효율적, 훨씬 더 오래 지속되는 일회용 ECG 패치에 대한 추세는 초소형 시스템 온 칩(SoC) 또는 시스템 인 패키지(SIP) 장치의 초저전력 신호 경로에 대한 더 높은 수준의 통합을 의미합니다. . 전자 장치의 소형화에서 직면한 몇 가지 문제는 저전력 정밀 혼합 신호(아날로그 및 디지털) 회로에 적합한 비용 효율적인 반도체 프로세스 노드의 필요성과 보다 비용 효율적인 소형 풋프린트 패키징 기술의 가용성입니다.

초저전력 소비는 이 새로운 유형의 ECG 패치에 대한 핵심 요구 사항 중 하나입니다. 현재 7~15일의 지속 기간을 넘어 지속적인 심장 신호 모니터링/분석 수명을 크게 늘릴 수 있기 때문입니다. 또한 전력 소비가 낮기 때문에 개발자는 추가 바이탈 사인 모니터링을 포함할 수 있으므로 경쟁 우위를 확보할 수 있습니다.

현재 패치는 수백 mAh의 일반적인 용량을 가진 단일 동전형 배터리를 사용합니다. 그러나 Silicon-on-thin-buried-oxide(silicon-on-thin-buried-oxide)와 같은 전문화된 새로운 반도체 공정 기술을 기반으로 "배터리가 없는" 센서 노드를 사용하는 에너지 하베스팅 방법과 결합된 더 작고, 더 적은 용량과 더 비용 효율적인 배터리를 사용하려는 노력이 있습니다. SOTB) 및 하위 임계값 프로세스.

에너지 수확 기반 심장 모니터링 패치를 연구실에서 시장으로 전환하는 데 따른 과제는 사용 시점에서 수확할 지속적이고 일관된 에너지원의 가용성입니다. 업계에서는 이 핵심 과제를 해결하기 위해 주변 환경에서 체온, 움직임으로 인한 진동 또는 전용 RF 에너지와 같은 소스의 사용을 모색하고 있습니다.

마지막으로 심장 모니터링 SoC 설계는 레이아웃의 할당된 경계를 가로질러 간섭 없이 매우 작은 실리콘 조각에 혼합 모드 회로를 성공적으로 통합해야 합니다. 이를 위해서는 고주파 스위칭 디지털 및 RF 회로에서 생성된 노이즈가 인접한 정밀 아날로그 회로로 전파되는 것을 방지하기 위해 특별한 설계 전문성이 필요합니다.

IoMT는 기존의 반응형 의료를 잠재적으로 더 낮은 비용으로 보다 저렴한 예방 시스템으로 전환하고 있습니다. 반도체, 연결성 및 재료 과학 기술의 발전과 AI의 힘을 결합하면 사회 개선을 위한 삶을 바꾸는 응용 프로그램의 잠재력을 제공합니다.

>> 이 기사는 원래 다음 날짜에 게시되었습니다. 자매 사이트인 Electronic Products:"의료 사물 인터넷은 연결된 심장 모니터링 시스템을 가능하게 합니다."

Ash Patel과 Bahram Mirshab은 Renesas Electronics America Inc.의 의료 부문에 소속되어 있습니다.