новости компании о Как оптимизировать архитектуру монитора уровня глюкозы в крови

С постоянно растущим числом пожилых людей и целевыми кампаниями по повышению осведомленности о профилактике заболеваний, производители мониторов уровня глюкозы в крови отмечают устойчивые темпы роста на рынке. Растущие тенденции ожирения и технологические достижения ускорили распространение мониторов, а также страховое покрытие мониторов для поддержания здорового уровня у пациентов, снижая риск и госпитализации.

Хотя мониторы могут иметь разные формы, включая непрерывные или дискретные решения, все они полагаются на передние концы на основе полупроводниковых датчиков, процессоры и выходной пользовательский интерфейс. В любой форме годовые объемы мониторов значительны, при этом один OEM-производитель выпускает около 1 миллиона единиц в год. В течение многих лет доминирующим монитором было дискретное решение для самоконтроля; это решение создает трудности в образе жизни с точки зрения ежедневных уколов пальцев ланцетами, взятия крови на тест-полоски и отслеживания показаний монитора. Непрерывные мониторы уровня глюкозы в крови (CGM) обеспечивают пациенту значительное удобство использования, устраняя ручные шаги, связанные с дискретными решениями для самоконтроля. Кроме того, CGM может использовать приложения для смартфонов производителей, чтобы предоставить простой интерфейс как для пациента, так и для врача, во многих случаях предлагая варианты телемедицины в форме загрузки записей для рассмотрения врачом. Любое архитектурное решение направлено на предоставление пользователю/пациенту точных показаний уровня глюкозы для предотвращения тяжелых и/или опасных для жизни осложнений у пациентов с диабетом.

Поскольку объемы велики, предыдущие методологии проектирования, поддерживающие несколько решений на базе микросхем, быстро потеряли популярность в пользу интегрированных решений. Современные целевые полупроводниковые решения используют подход «система-на-кристалле», устраняя как можно больше внешних цепей и компонентов, чтобы снизить стоимость решения. Дискретные мониторы уровня глюкозы в крови используют электромеханические тест-полоски с электродами, возбуждаемыми цифро-аналоговым преобразователем, что дает измеренный ток, пропорциональный глюкозе в крови. Этот пропорциональный ток затем пропускается через усилитель с транс импедансом, создавая напряжение, которое отбирается аналого-цифровым преобразователем и преобразуется в показания, зависящие от температуры, для пользователя/пациента. Как отмечалось, устройства «система-на-кристалле» включают эти аналоговые блоки и обработку в одно устройство. Альтернативные системные архитектуры могут использовать интегрированный аналоговый передний конец, который передает обработанные показания в микроконтроллер, который может включать дополнительную функциональность, включая Bluetooth Low Energy. Непрерывные мониторы уровня глюкозы в крови используют архитектуру специализированной интегральной схемы (ASIC), состоящую из MCU, аналогового переднего конца и передатчика BLE.

Особенности

• Оптимизированное энергопотребление
• Более дешевые конструкции
• Дискретные/непрерывные мониторы
• Интегрированный аналоговый передний конец
• Беспроводное подключение

Блок-схема системы

Блок-схема выделяет основные архитектурные блоки, представляющие интерес для разработчика. При выборе решения обычно учитываются уровни интеграции, такие как подход «система-на-кристалле» по сравнению с традиционными микросхемами, факторы стоимости и общий размер с точки зрения промышленного дизайна. Эти архитектурные блоки включают входной блок для вставки тест-полоски, за которым следует аналоговый передний конец, отвечающий за обработку сигнала от тест-полоски. Выход аналогового переднего конца передается в микроконтроллер или блок SoC для обработки сигнала и преобразования в показания глюкозы, которые могут отображаться на экране пользователя, а также передаваться через Bluetooth. Может существовать несколько блоков памяти для данных калибровки, а также пользовательских данных, при этом все блоки получают питание от батареи и связанных с ней цепей зарядки и измерения уровня топлива.

Преимущества системы

Как обсуждалось, несколько архитектурных реализаций могут предлагать решения для представленной блок-схемы, используя интегрированные решения, снижая общие затраты на компоненты и экономя место. Эти оптимизации также переходят в реализацию снижения веса и уменьшения размера батарей или увеличения срока службы при использовании батареи того же размера, предлагая лучший пользовательский опыт.

Одно из таких решений предлагает аналоговый передний конец в поддержку дискретного решения монитора, объединяющего ЦАП, TIA и АЦП, представленные микроконтроллеру системы. Преимущества модульного подхода позволяют легко выполнять обновления по мере развития сенсорных технологий. Использование интегрированного аналогового переднего конца обеспечивает высокий уровень интеграции, тем самым снижая сложность общего пространства платы и оптимизируя энергопотребление по сравнению с дискретными микросхемами.

Измерение температуры также является критическим параметром для показаний температуры окружающей среды вблизи тест-полоски. Типичная точность измерений составляет +/-1C - +/-2C. Измерение обычно выполняется с помощью отдельной микросхемы датчика температуры или через удаленный термистор в АЦП MCU.

В основе монитора лежит MCU, используемый для управления и контроля работы монитора уровня глюкозы. MCU обеспечивает необходимую вычислительную мощность для обработки сигналов от аналогового переднего конца, управления хранением данных и различных интерфейсов ввода/вывода и связи. Различные производители предлагают решения MCU, предназначенные для мониторинга уровня глюкозы в крови, которые в некоторой степени включают задачи аналогового переднего конца. К ним относятся встроенные операционные усилители и аналого-цифровые преобразователи для преобразования аналоговых сигналов с электродов, определяющих уровень глюкозы, для обработки MCU. Этот подход обеспечивает оптимизацию затрат и эффективность размеров.

Управление питанием в типичном портативном мониторе уровня глюкозы в крови осуществляется либо от основных, либо от вторичных батарей, объединенных с датчиком топлива для отображения статуса пользователя на дисплее, а также связи зарядного устройства батареи через контакты ввода/вывода MCU. Перезаряжаемые или вторичные батареи обычно представляют собой одноэлементные литий-ионные батареи, подключенные к соответствующему зарядному устройству и датчику топлива. Типичная внешняя зарядка в современных мониторах осуществляется через USB. Если имеется съемная батарея, которая заряжается в док-станции, можно добавить аутентификацию, чтобы гарантировать использование только авторизованных батарей в соответствии с требованиями производителя.

Дисплей и пользовательский интерфейс обычно состоят из сегмента ЖК-дисплея или графического точечно-матричного решения. В то время как графическая точечная матрица предоставляет разработчику больше гибкости при создании пользовательских значков и отображении информации, эти дисплеи требуют дополнительной памяти, обычно вместе с напряжениями смещения и драйверами, если они не включены в модуль ЖК-дисплея от производителя. Некоторые MCU, предназначенные для мониторов уровня глюкозы в крови, включают возможность управления ЖК-дисплеем на MCU, обычно для сегментных дисплеев в большинстве случаев.

В дополнение к интерфейсу ЖК-дисплея, который пациентам может быть трудно прочитать в зависимости от их возраста и зрения, обычно включается звуковой индикатор в виде зуммера, а в некоторых случаях и голосовой помощник, чтобы направлять пациента без зависимости от дисплея. В простейшей форме зуммер может быть широтно-импульсно модулирован через доступные контакты ввода/вывода на MCU, тем самым ограничивая дополнительные затраты на схему.

Интерфейсы ввода/вывода и данных были предоставлены в первые дни для загрузки результатов тестов на компьютер. Современные конструкции мониторов используют стандартные интерфейсы, такие как USB, и, совсем недавно, беспроводные решения Bluetooth. Хотя добавление этих стандартов в мониторы уровня глюкозы в крови связано с дополнительными факторами затрат, различные альянсы здравоохранения подталкивают отрасль к более удобным способам загрузки данных пациентов поставщику медицинских услуг.

В целом, системные архитектуры для основной схемы конструкции монитора используются в качестве строительного блока, так что при необходимости другой функции не требуется полная переработка, тем самым устраняется риск, сокращаются нормативные согласования и обеспечивается более быстрое выведение продукта на рынок для производителя.