IoT医療製品およびアプリケーション設計：課題と考慮事項

理想的には、あらゆる技術は人々に大きな影響を与え、人々が必要とするあらゆるタスクを達成する能力に影響を与えます。しかし、新しい技術が医療分野に導入されるとき、常にリスクは少し高くなります。どんな欠陥、エラー、または機能不全も直ちに誰かの健康に影響を与える可能性があることを認識する必要があります。確かに、すべての医療機器が生死に関わるわけではありませんが、それでも慎重に考慮されるべきです。

IoTの設計は常に挑戦ですが、医療IoTアプリケーションは追加の複雑さのレベルを持ち、追加の注意が必要です。コンポーネント選択プロセスをより厳格にするだけでなく、デザインはデバイスが重い摩耗やさまざまな環境条件にさらされることを考慮する必要があります。さらに、安全性と信頼性を最優先事項としなければなりません。どこから始めればよいでしょうか？

デバイスとウェアラブルの種類

一般的に、医療IoTデバイスは、エンジニアリングの観点から、または医療の観点からの2つの視点で考えることができます。エンジニアリングの観点から見ると、医療IoTデバイスは大きく2つのカテゴリーに分かれます：埋め込み型センサーとモニター、またはウェアラブルです。

• 植込み型センサーとモニター： これらのデバイスは、エンジニアリングの観点から、材料、コンポーネント、および身体の動きによって影響を受ける信号の相互作用に特に注意を払って製造する必要があります。さらに、植込み型センサーやモニターを設計する場合、電源に関して計画を立てることが重要です。おそらく、バッテリーが切れた場合、デバイスに電力を供給するために何らかの侵襲的な処置が必要になるでしょう。
• ウェアラブル： これらのデバイスは植込み型センサーやモニターと性質が似ていますが、植込み型デバイスよりも環境要求が異なります - 湿気への抵抗性とより大きな柔軟性が必要です。そして、一貫した電力供給が常に望ましいですが、ウェアラブルは植込み型デバイスよりも電力需要に適応しやすくなります。

医療の観点からこれらのデバイスは、その影響に基づいてより多く分類されます：生命管理に不可欠なデバイス、健康追跡と生命管理のための非重要デバイス、および健康またはフィットネストラッカー。

• バイタルトラッキングとライフマネジメント：これらの電子機器は、ペースメーカーや人工呼吸器などの追跡に使用されます。これらは、生命に不可欠な臓器やシステムに関する収集されたデータを送信する責任があります。これらのデバイスに対する注意は、重要な身体機能での役割に警戒すべきです。
• 非バイタルライフマネジメント：非バイタルライフマネジメントの分類は、これらのタイプのデバイスがそれほど重要ではないと指示する意図ではありませんが、本質的に、これらのデバイスが故障した場合に必要な対応の時間枠が著しく長くなることを診断します。これらのタイプのデバイスには、血圧計やグルコースモニターなどがあります。
• 健康またはフィットネストラッカー：その名の通り、健康またはフィットネストラッカーは、個人のフィットネスと健康を維持するために、歩数、食事、カロリー消費などのデータを追跡します。

デバイスの分類方法に関わらず、医療IoT電子機器は、患者と個人ケアのためのデータ管理の関係を大幅に変えることができます。

レイアウトとシステム要件

メディカルIoTには、患者が機器を通して経験する厳しいさまざまな環境に耐えることができる非常に頑丈なハードウェアが必要です。それはシャワー、スポーツイベント、または単に日常の座りがちな状態かもしれません。頑丈である一方で、ハードウェアは高品質の信号を収集し、環境ノイズを除去することによって信頼性の高いデータを提供するのに十分な感度も必要です。

さらに、収集された信号は信号処理も必要であり、これにはマイクロプロセッサが信頼性の高いパフォーマンスに必要なデータ処理を管理できる十分な速度と能力を持っていることが求められます。それはアナログ入力の解釈だけでなく、入力からの動作アーティファクトの除去など、より複雑なことを含むかもしれません。その後、そのプロセッサはウェアラブルアプリケーションに適したバッテリーで機能するために十分に低い電力要件を持っている必要があります。

フォームファクター

デバイスの設計は、最終製品のフォームファクターによって大きく決定されます。ポータブルスタンドにモニターを設置しますか？患者はそれを身体に装着しますか？それとも患者の環境に単独で設置されますか？

医療用またはフィットネスIoT製品のフォームファクターは、患者と医師がそれをどのように使用するかに影響を与えます。

身につけるアプリケーションは、しばしばリストバンドや腕時計として提供されます。患者が手首に何かを着用することに慣れているため、モニターを一貫して着用することを確実にするのがはるかに簡単です。より美的なオプションとして、ネックレスやブローチに統合されたデバイスを備えたジュエリーも別のオプションです。衣服もまた人気のあるオプションで、アンテナやセンサーが生地に統合されています。しかし、衣服を使用する場合は、一般的に処理ハードウェアの接続された部品が必要であり、衣服の使用の魅力を減少させます。しかし、改善された電子テキスタイルは、統合された電子機器の要件を減少させる可能性が高いです。

一部の製品は患者を常に監視する必要はなく、携帯型デバイスや家庭用品の形を取ることができます。ほとんどの家庭用例はフィットネスに焦点を当てていますが、医療用途ではなく、同様の原則が適用されます。例えば、トラッカーアプリにリンクする体重計があり、体重管理とBMIの長期的なフィードバックを提供します。別のアプローチは、睡眠の質に関する詳細な情報を受け取るためにマットレスにセンサーを取り付けることです。

信号の整合性

IoTデバイスにおける信号整合性を管理するためのPCB設計上の考慮事項は非常に重要です。接続されたデバイスが期待される時間枠内で正しい信号を送信できることを信頼したいでしょう。接続を通じて動作するIoTデバイスは、トレースのルーティングやトレース幅の管理、EMIやノイズの低減、必要な出力信号の強度を念頭に置くといった基板設計の原則に依存します。

電力と電力消費は、設計の信号整合性と競合する回路基板の側面でもあります。IoTデバイスは電力消費の要求が厳しいことで悪名高いです。強力なルーティングツールを利用し、設計ルールのチェックを直接インターフェースに組み込んだ基板レイアウトソフトウェアは、信号整合性管理が確実な基板を設計する上で非常に役立ちます。

設計の課題と考慮事項：システム、信号の整合性、およびデータ処理

製品の形態に関わらず、医療およびフィットネスデータは非常に個人的なものであり、倫理的および法的な理由から適切に保護する必要があります。もちろん、ユーザーに自分のデータのプライバシーとコントロールを持ってもらいたいですが、国によっては、米国のHIPAAのように、医療データを保護するさまざまな法律があります。これは、デバイス上のデータのセキュリティ、伝送中のデータ、情報が集約されるどこでも、ソフトウェアとハードウェアの両方の観点から考慮する必要があることを意味します。

伝送および処理中の各レベルでデータを保護する必要があります。

また、製品の相互運用性についても計画したいところです。データの互換性はハードウェアとしてはあなたの管轄外かもしれませんが、それが対処されないままになっていると、期待通りに機能しない製品に対してすべての設計作業が無駄になってしまいます。ハードウェアに関しても責任は免れません。完全に信頼性があり、使いやすいシステムであるためには、複数の無線スペクトラムとのインターフェースや、他の医療機器との問題ない相互作用が必要になるかもしれません。

医療IoTは圧倒されることもありますが、患者に奉仕し、命を救う絶好の機会です。そのような高いリスクを伴う場合、Altium Designer^® など、任務に匹敵する信頼できるツールを使用することが役立ちます。PCB設計。

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