Desafios e Considerações no Design de Produtos e Aplicações Médicas IoT

Idealmente, qualquer tecnologia vai afetar drasticamente as pessoas e a capacidade delas de realizar quaisquer tarefas que precisem. No entanto, quando uma nova tecnologia entra no domínio médico, os riscos são sempre um pouco maiores: deve-se ter consciência de que qualquer falha, erro ou mau funcionamento vai afetar imediatamente a saúde de alguém. Claro, nem todo dispositivo médico vai ser uma questão de vida ou morte, mas eles ainda devem ser considerados cuidadosamente.

Projetar para IoT é sempre um desafio, mas as aplicações médicas de IoT têm um nível adicional de complexidade que requer atenção suplementar. Não apenas o processo de seleção de componentes precisa ser mais rigoroso, mas o design também precisa levar em conta que o dispositivo será submetido a desgaste intenso e condições ambientais variadas. Além disso, a segurança e a confiabilidade têm que ser as maiores prioridades. Por onde você começa?

Tipos de Dispositivos e Wearables

Você pode tipicamente considerar os dispositivos de IoT na área da saúde a partir de uma de duas perspectivas: engenharia ou médica. Do ponto de vista da engenharia, os dispositivos médicos de IoT são em grande parte divididos em duas categorias: sensores e monitores implantados, ou wearables.

• Sensores e Monitores Implantados: Do ponto de vista da engenharia, esses tipos de dispositivos terão que ser fabricados com atenção especial à interação entre materiais, componentes e como os sinais são afetados pelos movimentos corporais. Além disso, ao projetar sensores ou monitores implantados, você vai querer planejar considerando as fontes de energia, sabendo que, na maioria das vezes, se uma bateria acabar, terá que ser feito algum tipo de procedimento invasivo para fornecer mais energia ao dispositivo.
• Dispositivos Vestíveis: Embora esses dispositivos sejam semelhantes em natureza aos sensores e monitores implantados, eles terão necessidades ambientais diferentes - resistência à umidade e maior flexibilidade - do que os implantes. E, embora ter energia constante seja sempre preferível, os dispositivos vestíveis serão mais adaptáveis às demandas de energia do que os dispositivos implantados.

Do ponto de vista médico, esses dispositivos são categorizados mais com base em seu efeito: Dispositivos críticos para o gerenciamento da vida, dispositivos não críticos para o acompanhamento da saúde e gerenciamento da vida, e rastreadores de saúde ou fitness.

• Monitoramento de Sinais Vitais e Gestão da Vida: Esses eletrônicos serão usados para monitorar dispositivos como marcapassos e ventiladores. Eles são responsáveis por transmitir dados coletados sobre órgãos e sistemas vitais para a vida. A atenção dada a esses dispositivos deve ser cautelosa devido ao seu papel em funções corporais críticas.
• Gestão de Vida Não-Vital: A classificação de gestão de vida não-vital não pretende dizer que esses tipos de dispositivos são menos importantes, mas sim diagnosticar que, essencialmente, a janela de tempo na qual uma resposta é necessária caso esses dispositivos falhem tende a ser significativamente maior. Esses tipos de dispositivos podem ser coisas como monitores de pressão arterial ou de glicose.
• Rastreadores de Saúde ou Fitness: Exatamente como soam, rastreadores de saúde ou fitness vão manter o registro de dados sobre contagem de passos, dieta, consumo calórico para uso na manutenção da fitness e saúde pessoais.

Não importa como você prefira classificar os dispositivos, a eletrônica de IoT médica pode afetar drasticamente a relação de gestão de dados para pacientes e cuidados pessoais.

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Layout e Requisitos de Sistemas

O IoT médico requer hardware que seja muito robusto e capaz de sobreviver aos ambientes ásperos e variados que os pacientes submetem seus equipamentos. Pode ser um banho, um evento esportivo ou apenas o sentar-se diariamente. Enquanto é robusto, o hardware também precisa ser sensível o suficiente para fornecer dados confiáveis, coletando sinais de alta qualidade e filtrando qualquer ruído ambiental.

Além disso, os sinais coletados também precisam de processamento de sinal, o que requer que o microprocessador tenha velocidade e capacidade adequadas para gerenciar o que for necessário em termos de manipulação de dados para um desempenho confiável. Isso pode envolver apenas a interpretação de entradas analógicas ou algo mais complicado como remover artefatos de movimento da entrada. Então, esse processador precisa ter requisitos de energia baixos o suficiente para funcionar com uma bateria apropriada para uma aplicação wearable.

Fator de Forma

O design do seu dispositivo é fortemente determinado pelo fator de forma do produto final. Você terá um monitor em um suporte portátil? O paciente usará no corpo? Ele fica sozinho no ambiente do paciente?

O fator de forma de um produto IoT médico ou de fitness afetará como pacientes e médicos o utilizam.

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Aplicações para uso no corpo são frequentemente disponibilizadas na forma de uma pulseira ou relógio. Como os pacientes estão acostumados a usar algo no pulso, é muito mais fácil garantir que o monitor seja usado de forma consistente. Para uma opção mais estética, joias são outra alternativa, com dispositivos integrados em colares ou broches. Roupas são ainda outra opção popular, com antenas ou sensores integrados ao tecido. No entanto, usar roupas geralmente requer um pedaço de hardware de processamento conectado, o que reduz o apelo de usar roupas. Contudo, é provável que melhorias em têxteis eletrônicos diminuam a necessidade de eletrônicos integrados.

Alguns produtos não precisam monitorar um paciente constantemente e podem assumir a forma de um dispositivo portátil ou objeto doméstico. A maioria dos exemplos domésticos foca em fitness, ao invés de aplicações médicas, mas princípios similares podem ser aplicados. Alguns exemplos são balanças que se conectam a um aplicativo de rastreamento e fornecem feedback a longo prazo sobre seu progresso no gerenciamento do seu peso e IMC. Outra abordagem é acoplar um sensor a um colchão para receber informações detalhadas sobre a qualidade do sono.

Integridade de Sinal

Considerações de design de PCB para gerenciar a integridade do sinal são vitais para dispositivos IoT. Você vai querer confiar que qualquer dispositivo conectado é capaz de transmitir o sinal correto dentro dos prazos esperados. Dispositivos IoT que funcionam através da conectividade dependerão de princípios de design de placa como roteamento de trilhas e gerenciamento de largura de trilhas, EMI e redução de ruído, e tendo em mente as forças de sinal de saída necessárias.

Energia e consumo de energia também são facetas de uma placa de circuito que irão competir com a integridade do sinal do seu design. Dispositivos IoT têm históricos notórios com exigências rigorosas de consumo de energia. Software de layout de placa que utiliza ferramentas de roteamento fortes e incorpora a verificação de regras de design diretamente em sua interface seria de imensa ajuda no design de placas que são seguras em sua gestão da integridade do sinal.

Desafios e Considerações de Design: Sistemas, Integridade de Sinais e Manipulação de Dados

Independentemente da forma que seu produto assuma, os dados médicos e de fitness são muito pessoais e precisam ser adequadamente protegidos por razões éticas e legais. Claro, você deseja que seus usuários tenham privacidade e controle sobre seus próprios dados; no entanto, dependendo do país em que você está, os dados médicos são protegidos por várias leis, como o HIPAA nos EUA. Isso significa que a segurança dos dados no dispositivo, durante a transmissão e em qualquer lugar onde as informações são agregadas, precisa ser considerada tanto do ponto de vista de software quanto de hardware.

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Os dados precisam ser seguros em todos os níveis durante a transmissão e o processamento.

Você também quer planejar a interoperabilidade do seu produto. A compatibilidade de dados pode não estar sob sua responsabilidade como hardware, mas se isso for deixado de lado, todo o seu trabalho de design será desperdiçado em um produto que não pode funcionar conforme o esperado. Você também não está livre de responsabilidades no que diz respeito ao hardware. Para ser totalmente confiável e utilizável, seu sistema pode precisar interagir com múltiplos espectros sem fio ou interagir com outros dispositivos médicos sem complicações.

Embora o IoT médico possa parecer avassalador, é uma excelente oportunidade para servir aos pacientes e salvar vidas. Com apostas tão altas, ajuda usar ferramentas confiáveis que possam estar à altura da tarefa, como Altium Designer^®  para design de PCB.

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