Projektowanie produktów i aplikacji IoT w medycynie: wyzwania i rozważania

Idealnie, każda technologia ma ogromny wpływ na ludzi i ich zdolność do wykonywania potrzebnych zadań. Jednak, gdy nowa technologia wkracza do domeny medycznej, stawka zawsze jest nieco wyższa: trzeba być świadomym, że jakiekolwiek usterki, błędy czy awarie będą miały natychmiastowy wpływ na zdrowie kogoś. Oczywiście, nie każde urządzenie medyczne jest kwestią życia lub śmierci, ale i tak powinno być traktowane z należytą ostrożnością.

Projektowanie dla IoT zawsze stanowi wyzwanie, ale aplikacje medyczne IoT wymagają dodatkowego poziomu złożoności, który wymaga dodatkowej uwagi. Nie tylko proces wyboru komponentów musi być bardziej rygorystyczny, ale projekt również musi uwzględniać fakt, że urządzenie będzie poddawane intensywnemu zużyciu i różnorodnym warunkom środowiskowym. Co więcej, bezpieczeństwo i niezawodność muszą być najwyższymi priorytetami. Od czego zacząć?

Typy urządzeń i noszonych gadżetów

Typowo, urządzenia IoT w opiece zdrowotnej można rozpatrywać z jednej z dwóch perspektyw: inżynieryjnej lub medycznej. Z perspektywy inżynieryjnej, urządzenia medyczne IoT są zasadniczo podzielone na dwie kategorie: wszczepiane sensory i monitory, lub gadżety noszone.

• Implantowane czujniki i monitory: Z inżynierskiego punktu widzenia, tego typu urządzenia będą musiały być projektowane z szczególną uwagą na interakcje materiałów, komponentów i sygnałów, które mogą być wpływane przez ruchy ciała. Ponadto, projektując implantowane czujniki czy monitory, należy zwrócić uwagę na planowanie zasilania, wiedząc, że najprawdopodobniej, gdy bateria się wyczerpie, konieczna będzie jakaś forma inwazyjnego zabiegu, aby dostarczyć więcej energii do urządzenia.
• Urządzenia noszone: Chociaż te urządzenia będą podobne do implantowanych czujników i monitorów, będą miały inne potrzeby środowiskowe - odporność na wilgoć i większą elastyczność - niż implanty. I chociaż zawsze preferowane jest posiadanie stałego zasilania, urządzenia noszone będą mogły lepiej dostosować się do zapotrzebowania na energię niż urządzenia implantowane.

Z medycznego punktu widzenia te urządzenia są kategoryzowane bardziej na podstawie ich wpływu: Urządzenia krytyczne dla zarządzania życiem, urządzenia niekrytyczne do monitorowania zdrowia i zarządzania życiem oraz trackery zdrowia lub fitness.

• Śledzenie parametrów życiowych i zarządzanie życiem: Elektronika ta będzie używana do śledzenia takich urządzeń jak rozruszniki i respiratory. Odpowiadają za przesyłanie danych zbieranych o organach i systemach niezbędnych dla życia. Uwaga poświęcona tym urządzeniom powinna być świadoma ich roli w krytycznych funkcjach życiowych.
• Zarządzanie życiem nieistotnym: Klasyfikacja zarządzania życiem nieistotnym nie ma na celu stwierdzenia, że tego typu urządzenia są mniej ważne, ale zdiagnozowanie, że okno czasowe, w którym konieczna jest reakcja w przypadku awarii tych urządzeń, zazwyczaj jest znacznie dłuższe. Do tego typu urządzeń mogą należeć na przykład monitory ciśnienia krwi lub glukozy.
• Śledzenie zdrowia lub kondycji fizycznej: Dokładnie tak, jak brzmi, trackery zdrowia lub kondycji fizycznej będą śledzić dane dotyczące liczby kroków, diety, spożycia kalorii w celu utrzymania osobistej kondycji fizycznej i zdrowia.

Niezależnie od tego, jak wolisz klasyfikować urządzenia, elektronika medyczna IoT może drastycznie wpłynąć na relację zarządzania danymi dla pacjentów i opieki osobistej.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Układ i wymagania systemowe

Medyczne IoT wymaga sprzętu, który jest bardzo wytrzymały i zdolny do przetrwania w trudnych i zróżnicowanych środowiskach, jakie pacjenci narzucają swoim urządzeniom. Mogą to być prysznic, wydarzenie sportowe lub po prostu codzienne siedzenie. Jednocześnie, będąc wytrzymałym, sprzęt musi być również na tyle czuły, aby dostarczać wiarygodne dane poprzez zbieranie wysokiej jakości sygnałów i filtrowanie wszelkich zakłóceń środowiskowych.

Ponadto, zebrane sygnały wymagają również przetwarzania sygnału, co wymaga, aby mikroprocesor miał odpowiednią prędkość i zdolności do zarządzania wymaganą obsługą danych dla niezawodnej wydajności. Może to wiązać się jedynie z interpretacją wejść analogowych lub czymś bardziej skomplikowanym, jak usuwanie artefaktów ruchu z wejścia. Następnie, ten procesor musi mieć wystarczająco niskie wymagania energetyczne, aby funkcjonować z baterią odpowiednią dla aplikacji noszonej.

Forma

Projekt twojego urządzenia jest w dużej mierze określony przez formę końcowego produktu. Czy będzie to monitor na przenośnym stojaku? Czy pacjent będzie nosił go na ciele? Czy będzie samodzielnie stał w środowisku pacjenta?

Forma produktu medycznego lub fitness IoT wpłynie na to, jak pacjenci i lekarze będą go używać.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

Aplikacje noszone na ciele są często dostępne w formie opaski lub zegarka. Ponieważ pacjenci są przyzwyczajeni do noszenia czegoś na nadgarstku, znacznie łatwiej jest zapewnić, że monitor będzie noszony w sposób ciągły. Dla bardziej estetycznej opcji, biżuteria jest kolejną możliwością, z urządzeniami zintegrowanymi w naszyjniki lub broszki. Odzież to jeszcze jedna popularna opcja, z antenami lub czujnikami zintegrowanymi w tkaninę. Jednak używanie ubrań zazwyczaj wymaga połączonego elementu sprzętu przetwarzającego, co zmniejsza atrakcyjność używania odzieży. Jednak prawdopodobne jest, że ulepszone tekstylia elektroniczne zmniejszą wymóg na zintegrowane elektroniki.

Niektóre produkty nie muszą stale monitorować pacjenta i mogą przyjąć formę przenośnego urządzenia lub przedmiotu domowego. Większość przykładów domowych skupia się na fitness, a nie na zastosowaniach medycznych, ale można zastosować podobne zasady. Niektóre przykłady to wagi, które łączą się z aplikacją śledzącą i dają długoterminowe informacje zwrotne o postępach w zarządzaniu wagą i BMI. Innym podejściem jest dołączenie czujnika do materaca, aby otrzymać szczegółowe informacje o jakości snu.

Integralność sygnału

Rozważania dotyczące projektowania PCB w kontekście zarządzania integralnością sygnału są kluczowe dla urządzeń IoT. Będziesz chciał mieć pewność, że każde połączone urządzenie jest w stanie przesyłać poprawny sygnał w oczekiwanym czasie. Urządzenia IoT działające poprzez łączność będą polegać na zasadach projektowania płyty, takich jak trasowanie ścieżek i zarządzanie szerokością ścieżek, EMI i redukcja szumów, oraz pamiętanie o niezbędnej sile sygnału wyjściowego.

Moc i zużycie energii to również aspekty płytki drukowanej, które będą rywalizować z integralnością sygnału twojego projektu.signal integrity. Urządzenia IoT mają notoryczne rekordy związane z trudnymi wymaganiami dotyczącymi zużycia energii. Oprogramowanie do projektowania układów płytek, które wykorzystuje zaawansowane narzędzia trasowania i włącza bezpośrednio do swojego interfejsu sprawdzanie zasad projektowania, byłoby niezmiernie pomocne w projektowaniu płyt, które są bezpieczne w swoim zarządzaniu integralnością sygnału.

Wyzwania projektowe i rozważania: Systemy, integralność sygnałów i obsługa danych

Bez względu na formę, jaką przyjmuje Twój produkt, dane medyczne i fitness są bardzo osobiste i muszą być odpowiednio chronione ze względów etycznych i prawnych. Oczywiście chcesz, aby użytkownicy mieli prywatność i kontrolę nad własnymi danymi; jednak w zależności od kraju, w którym się znajdujesz, dane medyczne są chronione różnymi ustawami, takimi jak HIPAA w USA. Oznacza to, że bezpieczeństwo danych na urządzeniu, podczas transmisji i wszędzie tam, gdzie informacje są agregowane, musi być rozważane zarówno z perspektywy oprogramowania, jak i sprzętu.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Dane muszą być zabezpieczone na każdym etapie transmisji i przetwarzania.

Chcesz również zaplanować interoperacyjność swojego produktu. Kompatybilność danych może nie należeć do Twoich obowiązków jako sprzętu, ale jeśli zostanie to zignorowane, cała Twoja praca projektowa zostanie zmarnowana na produkcie, który nie może działać zgodnie z oczekiwaniami. Nie jesteś też wolny od odpowiedzialności za sprzęt. Aby być w pełni niezawodnym i użytecznym, Twój system może potrzebować interfejsu z wieloma spektrami bezprzewodowymi lub interakcji z innymi urządzeniami medycznymi bez żadnych komplikacji.

Chociaż medyczny Internet Rzeczy może wydawać się przytłaczający, jest to doskonała okazja do służenia pacjentom i ratowania życia. Przy tak wysokich stawkach pomocne jest korzystanie z niezawodnych narzędzi, które są w stanie sprostać zadaniu, takich jak Altium Designer^®  do projektowania PCB.

Aby dowiedzieć się więcej o pokonywaniu wyzwań projektowych PCB, aby zaprojektować niezawodne i solidne aplikacje medycznego Internetu Rzeczy, porozmawiaj z ekspertem w Altium.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions