Проектирование медицинских продуктов и приложений для Интернета вещей: проблемы и особенности

В идеале любая технология должна кардинально влиять на людей и их способность выполнять необходимые задачи. Однако, когда новая технология входит в медицинскую сферу, ставки всегда немного выше: необходимо осознавать, что любые неисправности, ошибки или сбои немедленно скажутся на здоровье человека. Конечно, не каждое медицинское устройство связано с жизнью или смертью, но к ним все равно следует относиться с особым вниманием.

Проектирование для IoT всегда представляет собой вызов, но медицинские приложения IoT требуют дополнительного уровня сложности, который требует дополнительного внимания. Не только процесс выбора компонентов должен быть более строгим, но и дизайн также должен учитывать, что устройство будет подвергаться интенсивному износу и различным условиям окружающей среды. Кроме того, безопасность и надежность должны быть наивысшими приоритетами. С чего начать?

Типы устройств и носимых устройств

Медицинские устройства IoT обычно можно рассматривать с одной из двух точек зрения: инженерной или медицинской. С инженерной точки зрения, медицинские устройства IoT в основном делятся на две категории: имплантируемые датчики и мониторы или носимые устройства.

• Имплантируемые датчики и мониторы: С точки зрения инженерии, при создании таких устройств будет уделено особое внимание взаимодействию материалов, компонентов и сигналов, которые могут изменяться под влиянием движений тела. Кроме того, при проектировании имплантируемых датчиков или мониторов, необходимо будет тщательно продумать систему питания, учитывая, что, скорее всего, в случае разрядки батареи потребуется какая-то форма инвазивного вмешательства для восстановления питания устройства.
• Носимые устройства: Хотя эти устройства по своей сути будут похожи на имплантируемые датчики и мониторы, у них будут другие требования к окружающей среде - устойчивость к влаге и большая гибкость, чем у имплантатов. И хотя наличие постоянного источника питания всегда предпочтительно, носимые устройства будут более адаптивны к потребностям в энергии, чем имплантированные устройства.

С медицинской точки зрения эти устройства классифицируются в зависимости от их воздействия: устройства, критически важные для управления жизненными процессами, не критические устройства для отслеживания состояния здоровья и управления жизненными процессами, а также трекеры здоровья или фитнеса.

• Отслеживание жизненно важных показателей и управление жизнью: Эти электронные устройства будут использоваться для отслеживания таких вещей, как кардиостимуляторы и вентиляторы. Они отвечают за передачу данных, собранных о жизненно важных органах и системах. Внимание, уделяемое этим устройствам, должно быть осторожным из-за их роли в критически важных функциях тела.
• Управление не жизненно важными функциями: Классификация управления не жизненно важными функциями не предполагает, что эти типы устройств менее важны, но указывает на то, что, по сути, временной промежуток, в течение которого необходим ответ в случае их отказа, обычно значительно больше. К таким устройствам могут относиться, например, мониторы давления или глюкозы в крови.
• Трекеры здоровья или фитнеса: Как и следует из названия, трекеры здоровья или фитнеса будут отслеживать данные о количестве шагов, диете, потреблении калорий для поддержания личного фитнеса и здоровья.

Независимо от того, как вы предпочитаете классифицировать устройства, электроника медицинского IoT может радикально изменить отношения управления данными для пациентов и личного ухода.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Требования к компоновке и системам

Медицинские IoT-устройства требуют аппаратного обеспечения, которое должно быть очень надежным и способным выдерживать жесткие и разнообразные условия, которым пациенты подвергают свое оборудование. Это может быть душ, спортивное мероприятие или просто повседневное сидение. Помимо надежности, аппаратное обеспечение также должно быть достаточно чувствительным, чтобы обеспечивать надежные данные за счет сбора высококачественных сигналов и фильтрации любых помех из окружающей среды.

Кроме того, собранные сигналы также требуют обработки сигналов, что требует, чтобы микропроцессор обладал достаточной скоростью и возможностями для управления любой необходимой обработкой данных для надежной работы. Это может включать в себя интерпретацию аналоговых входов или что-то более сложное, например, удаление артефактов движения из входных данных. Затем этот процессор должен иметь достаточно низкие требования к энергопотреблению, чтобы функционировать с батареей, подходящей для носимого приложения.

Форм-фактор

Дизайн вашего устройства в значительной степени определяется форм-фактором конечного продукта. Будет ли у вас монитор на переносной стойке? Будет ли пациент носить его на теле? Располагается ли он отдельно в окружении пациента?

Форм-фактор медицинского или фитнес-устройства IoT будет влиять на то, как пациенты и врачи используют его.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

На теле человека приложения часто используются в виде браслета или часов. Поскольку пациенты привыкли носить что-то на запястье, гораздо проще обеспечить постоянное ношение монитора. Для более эстетичного варианта другим решением может служить ювелирное изделие, с устройствами, интегрированными в ожерелья или броши. Одежда - еще один популярный вариант, с антеннами или датчиками, интегрированными в ткань. Однако использование одежды обычно требует подключенного устройства обработки данных, что снижает привлекательность использования одежды. Тем не менее, вероятно, что улучшенные электронные ткани уменьшат необходимость в интегрированной электронике.

Некоторые продукты не требуют постоянного мониторинга пациента и могут быть выполнены в виде портативного устройства или предмета домашнего обихода. Большинство домашних примеров сосредоточено на фитнесе, а не на медицинских приложениях, но можно применять аналогичные принципы. Например, весы, которые связываются с приложением-трекером и дают вам долгосрочную обратную связь о вашем прогрессе в управлении весом и ИМТ. Другой подход заключается в прикреплении датчика к матрасу для получения подробной информации о качестве сна.

Целостность сигнала

Рассмотрение аспектов проектирования печатных плат для управления целостностью сигнала является жизненно важным для устройств IoT. Вы захотите быть уверенными, что любое подключенное устройство способно передавать правильный сигнал в ожидаемые временные рамки. Устройства IoT, работающие через подключение к сети, будут полагаться на принципы проектирования платы, такие как трассировка и управление шириной дорожек, EMI и снижение шума, а также учет необходимой силы выходного сигнала.

Питание и потребление энергии также являются аспектами печатной платы, которые будут влиять на целостность сигнала вашего проекта.signal integrity. Устройства IoT известны своими высокими требованиями к потреблению энергии. Программное обеспечение для проектирования плат, которое использует мощные инструменты трассировки и включает проверку правил проектирования непосредственно в свой интерфейс, будет огромной помощью в разработке плат, которые надежны в управлении целостностью сигнала.

Проектные вызовы и соображения: Системы, целостность сигналов и обработка данных

Независимо от того, какой формы принимает ваш продукт, медицинские и фитнес данные являются очень личными и должны быть должным образом защищены по этическим и юридическим причинам. Конечно, вы хотите, чтобы ваши пользователи имели приватность и контроль над своими данными; однако, в зависимости от страны, в которой вы находитесь, медицинские данные защищены различными законами, например, HIPAA в США. Это означает, что безопасность данных на устройстве, во время передачи и в любом месте, где информация агрегируется, должна рассматриваться как с точки зрения программного, так и аппаратного обеспечения.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Данные должны быть защищены на каждом этапе передачи и обработки.

Вы также хотите планировать взаимодействие вашего продукта с другими системами. Совместимость данных может не входить в вашу компетенцию как разработчика аппаратного обеспечения, но если это останется без внимания, то вся ваша работа над дизайном будет потрачена впустую на продукт, который не может работать как ожидалось. И от ответственности за аппаратное обеспечение вас это тоже не освобождает. Чтобы быть полностью надежной и удобной в использовании, ваша система может потребовать взаимодействия с несколькими беспроводными спектрами или взаимодействия с другими медицинскими устройствами без каких-либо осложнений.

Хотя медицинский IoT может показаться сложным, это отличная возможность помочь пациентам и спасти жизни. Учитывая такие высокие ставки, важно использовать надежные инструменты, соответствующие задаче, например, Altium Designer^®  для разработки печатных плат.

Чтобы узнать больше о преодолении проблем проектирования печатных плат для создания надежных и устойчивых приложений медицинского IoT, обратитесь к эксперту в Altium.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions