Progettazione di prodotti e applicazioni IoT medici: sfide e considerazioni

Ideale sarebbe che ogni tecnologia influenzasse drasticamente le persone e la loro capacità di svolgere qualsiasi compito necessitino. Tuttavia, quando una nuova tecnologia entra nel dominio medico, le poste sono sempre un po' più alte: bisogna essere consapevoli che qualsiasi difetto, errore o malfunzionamento influenzerà immediatamente la salute di qualcuno. Certo, non ogni dispositivo medico sarà questione di vita o di morte, ma dovrebbero comunque essere considerati con attenzione.

Progettare per l'IoT è sempre una sfida, ma le applicazioni IoT mediche hanno un livello aggiuntivo di complessità che richiede un'attenzione supplementare. Non solo il processo di selezione dei componenti deve essere più rigoroso, ma il design deve anche tenere conto che il dispositivo sarà soggetto a usura intensa e a condizioni ambientali variabili. Inoltre, la sicurezza e l'affidabilità devono essere le massime priorità. Da dove si inizia?

Tipi di Dispositivi e Wearable

È possibile considerare i dispositivi IoT per la sanità da una di due prospettive: ingegneristica o medica. Da una prospettiva ingegneristica, i dispositivi IoT medici sono largamente divisi in due categorie: sensori e monitor impiantati, o wearable.

• Sensori e Monitor Impiantati: Questi tipi di dispositivi, da un punto di vista ingegneristico, dovranno essere realizzati prestando particolare attenzione all'interazione tra materiali, componenti e come i segnali vengono influenzati dai movimenti corporei. Inoltre, se si progettano sensori o monitor impiantati, sarà necessario pianificare attentamente le soluzioni per l'alimentazione, sapendo che, molto probabilmente, se una batteria si esaurisce sarà necessario un qualche tipo di procedura invasiva per fornire ulteriore energia al dispositivo.
• Dispositivi Indossabili: Sebbene questi dispositivi siano simili per natura ai sensori e monitor impiantati, avranno esigenze ambientali diverse - resistenza all'umidità e maggiore flessibilità - rispetto agli impianti. E mentre avere un'alimentazione costante è sempre preferibile, i dispositivi indossabili saranno più adattabili alle esigenze di potenza rispetto ai dispositivi impiantati.

Dal punto di vista medico questi dispositivi vengono categorizzati più sulla base del loro effetto: dispositivi critici per la gestione della vita, dispositivi non critici per il monitoraggio della salute e la gestione della vita, e tracker per la salute o il fitness.

• Monitoraggio dei parametri vitali e gestione della vita: Questi dispositivi elettronici verranno utilizzati per monitorare elementi come pacemaker e ventilatori. Sono responsabili della trasmissione dei dati raccolti su organi e sistemi vitali per la vita. L'attenzione rivolta a questi dispositivi dovrebbe essere cauta riguardo al loro ruolo nelle funzioni corporee critiche.
• Gestione della vita non vitale: Una classificazione della gestione della vita non vitale non intende affermare che questi tipi di dispositivi siano meno importanti, ma diagnosticare che, essenzialmente, la finestra temporale in cui è necessaria una risposta in caso di guasto di questi dispositivi tende ad essere significativamente più ampia. Questi tipi di dispositivi potrebbero essere cose come monitor della pressione sanguigna o del glucosio.
• Tracker per la salute o il fitness: Esattamente come suggerisce il nome, i tracker per la salute o il fitness terranno traccia dei dati relativi al conteggio dei passi, alla dieta, al consumo calorico per l'uso nel mantenimento della forma fisica e della salute personale.

Indipendentemente dal modo in cui si preferisce classificare i dispositivi, l'elettronica IoT medica può influenzare drasticamente la relazione della gestione dei dati per i pazienti e la cura personale.

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Layout e requisiti dei sistemi

L'IoT medico richiede hardware molto robusto e capace di sopravvivere agli ambienti difficili e variati che i pazienti fanno passare ai loro dispositivi. Potrebbe trattarsi di una doccia, un evento sportivo o semplicemente il sedersi quotidianamente. Pur essendo robusto, l'hardware deve anche essere abbastanza sensibile da fornire dati affidabili raccogliendo segnali di alta qualità e filtrando qualsiasi rumore ambientale.

Inoltre, i segnali raccolti necessitano anche di elaborazione del segnale, il che richiede che il microprocessore abbia velocità e capacità adeguate per gestire qualsiasi manipolazione dei dati richiesta per un funzionamento affidabile. Questo potrebbe comportare semplicemente l'interpretazione di ingressi analogici o qualcosa di più complicato come la rimozione degli artefatti di movimento dall'ingresso. Quindi, quel processore deve avere requisiti di potenza abbastanza bassi per funzionare con una batteria adatta per un'applicazione indossabile.

Fattore di Forma

Il design del tuo dispositivo è fortemente determinato dal fattore di forma del prodotto finale. Avrai un monitor su un supporto portatile? Un paziente lo indosserà sul corpo? È autonomo nell'ambiente di un paziente?

Il fattore di forma di un prodotto IoT medico o per il fitness influenzerà come pazienti e medici lo utilizzano.

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Le applicazioni indossabili sul corpo sono spesso disponibili sotto forma di braccialetto o orologio. Poiché i pazienti sono abituati a indossare qualcosa al polso, è molto più facile garantire che il monitor sia indossato costantemente. Per un'opzione più estetica, i gioielli rappresentano un'altra possibilità, con dispositivi integrati in collane o spille. Un'altra opzione popolare è l'abbigliamento, con antenne o sensori integrati nel tessuto. Tuttavia, l'uso di abiti richiede generalmente un pezzo di hardware di elaborazione connesso, il che riduce l'attrattiva dell'uso di abbigliamento. È probabile, tuttavia, che il miglioramento dei tessuti elettronici diminuirà la necessità di elettronica integrata.

Alcuni prodotti non necessitano di monitorare costantemente un paziente e possono assumere la forma di un dispositivo portatile o di un oggetto domestico. La maggior parte degli esempi domestici è incentrata sul fitness, piuttosto che sulle applicazioni mediche, ma si possono applicare principi simili. Alcuni esempi sono bilance che si collegano a un'app di tracciamento e ti forniscono un feedback a lungo termine sui tuoi progressi nella gestione del peso e del BMI. Un altro approccio consiste nell'attaccare un sensore a un materasso per ricevere informazioni dettagliate sulla qualità del sonno.

Integrità del Segnale

Le considerazioni sulla progettazione dei PCB per la gestione dell'integrità del segnale sono vitali per i dispositivi IoT. Vorrai avere la certezza che qualsiasi dispositivo connesso sia in grado di trasmettere il segnale corretto nei tempi previsti. I dispositivi IoT che lavorano tramite connettività si affideranno a principi di progettazione della scheda come il routing delle tracce e la gestione della larghezza delle tracce, EMI e riduzione del rumore, e tenendo in considerazione le necessarie forze del segnale di uscita.

Alimentazione e consumo energetico sono anche aspetti di una scheda elettronica che contenderanno con l'integrità del segnale della tua progettazione. I dispositivi IoT hanno notori problemi con esigenti richieste di consumo energetico. Un software di layout di schede che utilizza strumenti di routing avanzati e incorpora il controllo delle regole di progettazione direttamente nella sua interfaccia sarebbe di immenso aiuto nella progettazione di schede sicure nella loro gestione dell'integrità del segnale.

Sfide e Considerazioni di Progettazione: Sistemi, Integrità del Segnale e Gestione dei Dati

Indipendentemente dalla forma che assume il tuo prodotto, i dati medici e relativi al fitness sono molto personali e devono essere adeguatamente protetti per motivi etici e legali. Ovviamente, vuoi che i tuoi utenti abbiano privacy e controllo sui propri dati; tuttavia, a seconda del paese in cui ti trovi, i dati medici sono protetti da varie leggi, come l'HIPAA negli Stati Uniti. Ciò significa che la sicurezza dei dati sul dispositivo, durante la trasmissione e ovunque le informazioni vengano aggregate, deve essere considerata sia dal punto di vista del software che dell'hardware.

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I dati devono essere protetti ad ogni livello durante la trasmissione e l'elaborazione.

Vuoi anche pianificare l'interoperabilità del tuo prodotto. La compatibilità dei dati potrebbe non rientrare nelle tue competenze come hardware, ma se lasciata irrisolta, tutto il tuo lavoro di progettazione è sprecato su un prodotto che non può funzionare come previsto. Non sei esonerato nemmeno per l'hardware. Per essere completamente affidabile e utilizzabile, il tuo sistema potrebbe dover interfacciarsi con più spettri wireless o interagire con altri dispositivi medici senza complicazioni.

Anche se l'IoT medico può sembrare schiacciante, rappresenta un'eccellente opportunità per servire i pazienti e salvare vite. Con posta in gioco così alta, è utile utilizzare strumenti affidabili che siano all'altezza del compito, come Altium Designer^®  per il design di PCB.

Per saperne di più su come superare le sfide del design di PCB per progettare applicazioni IoT mediche affidabili e robuste, parla con un esperto di Altium.

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