Conception de produits et d'applications IoT médicaux : Défis et considérations

Idéalement, toute technologie va considérablement affecter les gens et leur capacité à accomplir les tâches dont ils ont besoin. Pourtant, lorsque de nouvelles technologies pénètrent le domaine médical, les enjeux sont toujours un peu plus élevés : il faut être conscient que tout défaut, erreur ou dysfonctionnement va immédiatement affecter la santé de quelqu'un. Certes, tous les dispositifs médicaux ne seront pas une question de vie ou de mort, mais ils devraient néanmoins être considérés avec soin.

Concevoir pour l'IoT est toujours un défi, mais les applications médicales de l'IoT ont un niveau supplémentaire de complexité qui nécessite une attention complémentaire. Non seulement votre processus de sélection des composants doit être plus rigoureux, mais la conception doit également tenir compte du fait que le dispositif sera soumis à une usure importante et à des conditions environnementales variées. De plus, la sécurité et la fiabilité doivent être des priorités absolues. Par où commencer ?

Types de dispositifs et de wearables

Vous pouvez généralement considérer les dispositifs IoT de santé selon l'une des deux perspectives : ingénierie, ou médicale. D'un point de vue ingénierie, les dispositifs médicaux IoT sont largement divisés en deux catégories : les capteurs et moniteurs implantés, ou les wearables.

• Capteurs et moniteurs implantés : Ces types d'appareils, d'un point de vue ingénierie, devront être conçus avec une attention particulière portée à l'interaction des matériaux, des composants et des signaux affectés par les mouvements corporels. De plus, si vous concevez des capteurs ou des moniteurs implantés, vous voudrez vous assurer de planifier autour des sources d'alimentation en sachant que, très probablement, si une batterie meurt, il devra y avoir une forme de procédure invasive pour fournir plus de puissance à l'appareil.
• Dispositifs portables : Bien que ces appareils vont être similaires dans leur nature aux capteurs et moniteurs implantés, ils auront des besoins environnementaux différents - résistance à l'humidité et plus grande flexibilité - que les implants. Et bien qu'avoir une alimentation constante soit toujours préférable, les dispositifs portables seront plus adaptables aux demandes d'énergie que les dispositifs implantés.

Du point de vue médical, ces dispositifs sont catégorisés davantage en fonction de leur effet : dispositifs critiques pour la gestion de la vie, dispositifs non critiques pour le suivi de la santé et la gestion de la vie, et traqueurs de santé ou de fitness.

• Suivi des signes vitaux et gestion de la vie : Ces appareils électroniques vont être utilisés pour suivre des éléments comme les stimulateurs cardiaques et les ventilateurs. Ils sont responsables de la transmission des données collectées sur les organes et systèmes vitaux pour la vie. L'attention portée à ces dispositifs doit être consciente de leur rôle dans les fonctions corporelles critiques.
• Gestion de la vie non vitale : Une classification de la gestion de la vie non vitale n'a pas pour but de déclarer que ces types d'appareils sont moins importants, mais de diagnostiquer que, essentiellement, la fenêtre de temps dans laquelle une réponse est nécessaire si ces appareils échouent tend à être significativement plus longue. Ces types d'appareils pourraient être des choses comme des moniteurs de pression sanguine ou de glucose.
• Trackers de santé ou de fitness : Exactement comme leur nom l'indique, les trackers de santé ou de fitness vont suivre des données concernant le nombre de pas, l'alimentation, la consommation calorique pour aider à maintenir la forme physique et la santé personnelle.

Peu importe comment vous préférez classer les appareils, l'électronique IoT médicale peut affecter de manière drastique la relation de gestion des données pour les patients et les soins personnels.

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Disposition et exigences des systèmes

L'IoT médical nécessite un matériel très robuste et capable de survivre aux environnements difficiles et variés que les patients font subir à leur équipement. Cela peut être une douche, un événement sportif ou simplement le fait de rester assis au quotidien. Tout en étant robuste, le matériel doit également être suffisamment sensible pour fournir des données fiables en collectant des signaux de haute qualité et en filtrant tout bruit environnemental.

De plus, les signaux collectés nécessitent également un traitement du signal, ce qui exige que le microprocesseur ait une vitesse et une capacité adéquates pour gérer tout traitement de données nécessaire à une performance fiable. Cela peut simplement impliquer l'interprétation d'entrées analogiques ou quelque chose de plus compliqué comme l'élimination des artefacts de mouvement de l'entrée. Ensuite, ce processeur doit avoir des besoins en énergie suffisamment faibles pour fonctionner avec une batterie adaptée à une application portable.

Facteur de Forme

La conception de votre appareil est fortement déterminée par le facteur de forme du produit final. Aurez-vous un moniteur sur un support portable ? Un patient le portera-t-il sur le corps ? Est-ce qu'il se tient seul dans l'environnement d'un patient ?

Le facteur de forme d'un produit IoT médical ou de fitness affectera la manière dont les patients et les médecins l'utilisent.

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Les applications portées sur le corps sont souvent disponibles sous forme de bracelet ou de montre. Comme les patients sont habitués à porter quelque chose à leur poignet, il est beaucoup plus facile de s'assurer que le moniteur est porté de manière constante. Pour une option plus esthétique, les bijoux représentent une autre solution, avec des dispositifs intégrés dans des colliers ou des broches. Les vêtements constituent une autre option populaire, avec des antennes ou des capteurs intégrés dans le tissu. Cependant, l'utilisation de vêtements nécessite généralement un morceau de matériel de traitement connecté, ce qui réduit l'attrait de l'utilisation de vêtements. Néanmoins, il est probable que l'amélioration des textiles électroniques diminuera le besoin d'électronique intégrée.

Certains produits n'ont pas besoin de surveiller un patient en permanence et peuvent prendre la forme d'un dispositif portable ou d'un objet domestique. La plupart des exemples domestiques se concentrent sur la forme physique, plutôt que sur les applications médicales, mais des principes similaires peuvent être appliqués. Certains exemples incluent des balances qui se connectent à une application de suivi et vous donnent un retour à long terme sur vos progrès dans la gestion de votre poids et de votre IMC. Une autre approche consiste à attacher un capteur à un matelas pour recevoir des informations détaillées sur la qualité du sommeil.

Intégrité du signal

Les considérations de conception de PCB pour la gestion de l'intégrité des signaux sont vitales pour les dispositifs IoT. Vous voudrez vous assurer que tout dispositif connecté est capable de transmettre le signal correct dans les délais attendus. Les dispositifs IoT fonctionnant grâce à la connectivité dépendront de principes de conception de carte tels que le routage des pistes et la gestion de la largeur des pistes, EMI et la réduction du bruit, et en tenant compte des forces de signal de sortie nécessaires.

La puissance et la consommation d'énergie sont également des facettes d'un circuit imprimé qui seront en concurrence avec l'intégrité du signal de votre conception. Les dispositifs IoT ont des antécédents notoires avec des exigences de consommation d'énergie difficiles. Un logiciel de disposition de carte qui utilise des outils de routage puissants et intègre directement la vérification des règles de conception dans son interface serait d'une aide immense dans la conception de cartes sécurisées dans leur gestion de l'intégrité des signaux.

Défis et considérations de conception : Systèmes, intégrité des signaux et gestion des données

Peu importe la forme que prend votre produit, les données médicales et de fitness sont très personnelles et doivent être adéquatement protégées pour des raisons éthiques et légales. Bien sûr, vous souhaitez que vos utilisateurs aient de la confidentialité et le contrôle de leurs propres données ; cependant, selon le pays dans lequel vous vous trouvez, les données médicales sont protégées par diverses lois, comme l'HIPAA aux États-Unis. Cela signifie que la sécurité des données sur l'appareil, pendant la transmission, et partout où les informations sont agrégées, doit être considérée tant du point de vue logiciel que matériel.

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Les données doivent être sécurisées à chaque niveau pendant la transmission et le traitement.

Vous voulez également planifier l'interopérabilité de votre produit. La compatibilité des données peut ne pas relever de votre compétence en tant que matériel, mais si elle est laissée sans réponse, alors tout votre travail de conception est gaspillé sur un produit qui ne peut pas fonctionner comme prévu. Vous n'êtes pas non plus exempt de responsabilité en ce qui concerne le matériel. Pour être pleinement fiable et utilisable, votre système peut avoir besoin d'interfacer avec plusieurs spectres sans fil ou d'interagir avec d'autres dispositifs médicaux sans aucune complication.

Bien que l'IoT médical puisse sembler accablant, c'est une excellente opportunité pour servir les patients et sauver des vies. Avec des enjeux aussi importants, il est utile d'utiliser des outils fiables à la hauteur de la tâche, comme Altium Designer^®  pour la conception de PCB.

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