nouvelles de l'entreprise Comment optimiser l'architecture du moniteur de glycémie

Avec un nombre croissant de segments de population âgée et des campagnes axées sur la sensibilisation à la prévention des maladies, les fabricants de glucomètres constatent des taux de croissance constants sur le marché. Les tendances croissantes de l'obésité et les progrès technologiques ont accéléré la prévalence des moniteurs ainsi que la couverture d'assurance des moniteurs pour maintenir des niveaux sains chez les patients, réduisant ainsi les risques et les hospitalisations.

Bien que les moniteurs puissent prendre de nombreuses formes, y compris des solutions continues ou discrètes, tous reposent sur des circuits d'entrée basés sur des capteurs à semi-conducteurs, des processeurs et une interface utilisateur de sortie. Dans les deux cas, les volumes annuels de moniteurs sont importants, un seul OEM produisant près d'un million d'unités par an. Pendant des années, le moniteur dominant a été une solution discrète d'autosurveillance ; cette solution présente des obstacles liés au mode de vie en termes de piqûres quotidiennes au doigt avec des lancettes, de prélèvements sanguins sur des bandelettes de test et de suivi des lectures du moniteur. Les moniteurs de glucose en continu (CGM) offrent au patient une grande facilité d'utilisation, éliminant les étapes manuelles associées aux solutions discrètes d'autosurveillance. De plus, les CGM peuvent tirer parti des applications pour smartphone des fabricants pour fournir une interface simple pour le patient et le médecin, offrant dans de nombreux cas des options de télésanté sous la forme d'un téléchargement d'enregistrements pour l'examen du médecin. L'une ou l'autre solution d'architecture vise à fournir à l'utilisateur/patient des lectures précises du taux de glucose afin de prévenir les complications graves et/ou potentiellement mortelles pour les patients diabétiques.

Étant donné que les volumes sont élevés, les méthodologies de conception précédentes prenant en charge plusieurs solutions de circuits intégrés ont rapidement perdu la faveur des solutions intégrées. Les solutions de semi-conducteurs ciblées d'aujourd'hui adoptent une approche système sur puce, éliminant autant de circuits et de composants externes que possible pour réduire le coût de la solution. Les glucomètres discrets utilisent des bandelettes de test électromécaniques avec des électrodes excitées par un convertisseur numérique-analogique, ce qui donne un courant mesuré proportionnel au glucose dans le sang. Ce courant proportionnel est ensuite transmis à travers un amplificateur de transimpédance, produisant une tension qui est échantillonnée par un convertisseur analogique-numérique et traitée en une lecture dépendante de la température pour l'utilisateur/patient. Comme indiqué, les dispositifs système sur puce intègrent ces blocs analogiques et le traitement dans un seul appareil. Les architectures système alternatives peuvent utiliser un circuit d'entrée analogique intégré qui transmet les lectures conditionnées à un microcontrôleur qui peut intégrer des fonctionnalités supplémentaires, notamment Bluetooth Low Energy. Les moniteurs de glucose en continu utilisent une architecture de circuit intégré spécifique à l'application (ASIC) composée d'un MCU, d'un circuit d'entrée analogique et d'un émetteur BLE.

Fonctionnalités

• Alimentation optimisée
• Conceptions à moindre coût
• Moniteurs discrets/continus
• Circuit d'entrée analogique intégré
• Connectivité sans fil

Schéma fonctionnel du système

Le schéma fonctionnel met en évidence les principaux blocs d'architecture qui préoccupent le concepteur. La décision concernant une solution implique généralement des niveaux d'intégration tels qu'une approche système sur puce par rapport aux circuits intégrés traditionnels, des facteurs de coût et la taille globale du point de vue de la conception industrielle. Ces blocs d'architecture comprennent un bloc d'entrée pour l'insertion de la bandelette de test, suivi du circuit d'entrée analogique, responsable du conditionnement du signal électrique provenant de la bandelette de test. La sortie du circuit d'entrée analogique est transmise à un microcontrôleur ou à un bloc SoC pour traiter le signal et le convertir en une lecture de glucose qui peut être affichée sur l'écran de l'utilisateur ainsi que communiquée via Bluetooth. Plusieurs blocs de mémoire peuvent exister pour les données d'étalonnage ainsi que les données utilisateur, tous les blocs étant alimentés par une batterie et des circuits de charge et de jauge de carburant associés.

Avantages du système

Comme discuté, plusieurs implémentations d'architecture peuvent offrir des solutions au schéma fonctionnel présenté en tirant parti des solutions intégrées, réduisant ainsi les coûts globaux des composants et les économies d'espace. Ces optimisations se traduisent également par des réalisations de poids réduits et des batteries de plus petite taille ou une durée de vie plus longue avec une batterie de même taille offrant une meilleure expérience utilisateur finale.

Une de ces solutions propose un circuit d'entrée analogique en support d'une solution de moniteur discret combinant DAC, TIA et ADC présentés au microcontrôleur système. Les avantages d'une approche modulaire permettent des mises à niveau faciles à mesure que la technologie des capteurs progresse. L'utilisation d'un circuit d'entrée analogique intégré offre un haut niveau d'intégration, réduisant ainsi la complexité de l'espace global de la carte et optimisant la consommation d'énergie par rapport aux circuits intégrés discrets

La mesure de la température est également un paramètre essentiel pour les relevés de température ambiante près de la bandelette de test. Les précisions de mesure typiques sont de +/-1C à +/-2C. La mesure est généralement effectuée avec un circuit intégré de capteur de température autonome ou via une thermistance à distance dans l'ADC du MCU.

Au cœur du moniteur se trouve un MCU utilisé pour contrôler et gérer le fonctionnement du glucomètre. Le MCU fournit la puissance de traitement nécessaire pour effectuer le traitement du signal à partir du bloc d'entrée analogique, la gestion du stockage des données et diverses interfaces d'E/S et de communication. Divers fabricants proposent des solutions MCU ciblées pour les applications de surveillance de la glycémie qui intègrent à un certain niveau les tâches d'une approche de circuit d'entrée analogique. Ceux-ci incluent des amplificateurs opérationnels embarqués et des convertisseurs analogique-numérique pour convertir les signaux analogiques des électrodes de détection du glucose pour le traitement par le MCU. Cette approche offre une optimisation des coûts et des gains de taille.

La gestion de l'alimentation dans un glucomètre portable typique prend la forme de batteries primaires ou secondaires associées à une jauge de carburant pour l'état de l'utilisateur sur l'écran, ainsi qu'une communication du chargeur de batterie via les broches d'E/S du MCU. Les batteries rechargeables ou secondaires sont généralement des batteries Li-ion à une seule cellule, connectées au chargeur de batterie et à la jauge de carburant appropriés. La charge externe typique dans les moniteurs modernes s'effectue via USB. S'il existe une batterie amovible qui est chargée dans une station d'accueil, une authentification peut être ajoutée pour garantir que seules les batteries autorisées sont utilisées conformément aux exigences du fabricant.

L'affichage et l'interface utilisateur comprennent généralement une solution de segment LCD ou de matrice de points graphiques. Bien que la matrice de points graphiques offre au développeur plus de flexibilité dans la création d'icônes personnalisées et l'affichage d'informations, ces affichages nécessitent une mémoire supplémentaire, généralement avec des tensions de polarisation et des pilotes s'ils ne sont pas intégrés dans le module LCD du fabricant. Certains MCU ciblés pour l'espace des glucomètres incluent la capacité de pilotage LCD sur le MCU, généralement pour les affichages segmentés dans la plupart des cas.

En plus de l'interface LCD, que les patients pourraient avoir du mal à lire en fonction de leur âge et de leurs capacités visuelles, un indicateur sonore est généralement inclus sous la forme d'un buzzer et, dans certains cas, d'une assistance vocale pour guider le patient sans dépendre de l'affichage. Dans sa forme la plus simple, un buzzer peut être modulé en largeur d'impulsion via les broches d'E/S disponibles sur le MCU, limitant ainsi les coûts de circuit supplémentaires.

Les interfaces d'E/S et de données ont été fournies au début pour le téléchargement des résultats des tests sur un ordinateur. Les conceptions de moniteurs d'aujourd'hui tirent parti des interfaces standard telles que l'USB et, plus récemment, des solutions sans fil Bluetooth. Bien qu'il existe des facteurs de coût supplémentaires en ajoutant ces normes aux glucomètres, diverses alliances de santé poussent l'industrie vers des moyens plus pratiques de télécharger les données des patients vers un fournisseur de soins de santé.

Dans l'ensemble, les architectures système pour les circuits de base de la conception du moniteur sont utilisées comme blocs de construction de sorte que lorsqu'une autre fonctionnalité est nécessaire, une refonte complète n'est pas nécessaire, ce qui annule les risques, réduit les approbations réglementaires et permet au fabricant d'accélérer la mise sur le marché.