Thiết kế Sản phẩm và Ứng dụng IoT Y tế: Thách thức và Cân nhắc

Lý tưởng nhất, bất kỳ công nghệ nào cũng sẽ ảnh hưởng đáng kể đến con người và khả năng của họ trong việc hoàn thành bất kỳ nhiệm vụ nào họ cần. Tuy nhiên, khi công nghệ mới được áp dụng vào lĩnh vực y tế, mức độ quan trọng luôn cao hơn một chút: người ta phải nhận thức được rằng bất kỳ lỗi, sai sót hoặc sự cố nào cũng sẽ ngay lập tức ảnh hưởng đến sức khỏe của ai đó. Đúng là không phải mọi thiết bị y tế đều liên quan đến sự sống còn, nhưng chúng vẫn cần được xem xét một cách cẩn thận.

Thiết kế cho IoT luôn là một thách thức, nhưng ứng dụng IoT y tế có một mức độ phức tạp bổ sung đòi hỏi sự chú ý đặc biệt. Quy trình lựa chọn linh kiện của bạn không chỉ cần phải chặt chẽ hơn, mà thiết kế cũng cần phải tính đến việc thiết bị sẽ phải chịu đựng mài mòn nặng nề và điều kiện môi trường đa dạng. Hơn nữa, an toàn và độ tin cậy phải là những ưu tiên hàng đầu. Bạn bắt đầu từ đâu?

Các Loại Thiết Bị và Thiết Bị Đeo

Bạn có thể xem xét các thiết bị IoT y tế từ một trong hai góc độ: kỹ thuật, hoặc y tế. Từ góc độ kỹ thuật, các thiết bị IoT y tế chủ yếu được chia thành hai loại: Cảm biến và máy theo dõi cấy ghép, hoặc thiết bị đeo.

• Cảm biến và Máy theo dõi Cấy ghép: Từ góc độ kỹ thuật, những loại thiết bị này cần được chế tạo với sự chú ý đặc biệt đến sự tương tác giữa vật liệu, linh kiện và cách tín hiệu bị ảnh hưởng bởi các chuyển động của cơ thể. Hơn nữa, nếu thiết kế cảm biến hoặc máy theo dõi cấy ghép, bạn sẽ muốn chắc chắn rằng đã lên kế hoạch xung quanh nguồn cung cấp điện, biết rằng, hầu hết trường hợp, nếu pin hết thì sẽ phải thực hiện một số thủ tục xâm lấn để cung cấp thêm năng lượng cho thiết bị.
• Thiết bị Đeo: Mặc dù những thiết bị này sẽ tương tự như cảm biến và máy theo dõi cấy ghép, chúng sẽ có nhu cầu môi trường khác biệt - khả năng chống ẩm và độ linh hoạt cao hơn so với cấy ghép. Và mặc dù việc có nguồn cung cấp điện ổn định luôn được ưu tiên, thiết bị đeo sẽ có khả năng thích ứng với nhu cầu năng lượng tốt hơn so với thiết bị cấy ghép.

Từ góc độ y tế, những thiết bị này được phân loại dựa trên tác động của chúng: Thiết bị quan trọng cho quản lý sức khỏe, thiết bị không quan trọng cho theo dõi sức khỏe và quản lý cuộc sống, và máy theo dõi sức khỏe hoặc thể dục.

• Theo dõi các chỉ số sống và Quản lý Sức khỏe: Các thiết bị điện tử này sẽ được sử dụng để theo dõi những thứ như máy tạo nhịp tim và máy thở. Chúng có trách nhiệm truyền dữ liệu thu thập được từ các cơ quan và hệ thống quan trọng cho sự sống. Sự chú ý đối với những thiết bị này nên cẩn thận với vai trò của chúng trong các chức năng cơ thể quan trọng.
• Quản lý Sức khỏe không Quan trọng: Phân loại quản lý sức khỏe không quan trọng không nhằm mục đích khẳng định rằng những loại thiết bị này kém quan trọng hơn, mà để chẩn đoán rằng, cơ bản là, khoảng thời gian cần thiết để phản ứng khi những thiết bị này gặp sự cố thường cao hơn đáng kể. Những loại thiết bị này có thể là máy đo huyết áp hoặc máy đo đường huyết.
• Theo dõi Sức khỏe hoặc Thể dục: Đúng như tên gọi, các thiết bị theo dõi sức khỏe hoặc thể dục sẽ theo dõi dữ liệu về số bước đi, chế độ ăn, tiêu thụ calo để sử dụng trong việc duy trì thể dục và sức khỏe cá nhân.

Dù bạn muốn phân loại các thiết bị như thế nào, điện tử IoT y tế có thể ảnh hưởng đáng kể đến mối quan hệ quản lý dữ liệu cho bệnh nhân và chăm sóc cá nhân.

Bố cục và Yêu cầu Hệ thống

IoT y tế đòi hỏi phần cứng phải rất bền bỉ và có khả năng tồn tại trong môi trường khắc nghiệt và đa dạng mà bệnh nhân đưa thiết bị của họ qua. Có thể là một buổi tắm, một sự kiện thể thao, hoặc chỉ là ngồi quanh hàng ngày. Mặc dù bền bỉ, phần cứng cũng cần phải đủ nhạy để cung cấp dữ liệu đáng tin cậy bằng cách thu thập tín hiệu chất lượng cao và lọc bỏ bất kỳ tiếng ồn môi trường nào.

Hơn nữa, các tín hiệu thu thập cũng cần được xử lý tín hiệu, điều này đòi hỏi vi xử lý phải có tốc độ và khả năng đủ để quản lý bất kỳ việc xử lý dữ liệu nào cần thiết cho hiệu suất đáng tin cậy. Điều đó có thể chỉ liên quan đến việc giải thích các đầu vào tương tự hoặc một cái gì đó phức tạp hơn như loại bỏ các hiện tượng nhiễu do chuyển động từ đầu vào. Sau đó, vi xử lý đó cần phải có yêu cầu về năng lượng thấp đủ để hoạt động với một pin phù hợp cho ứng dụng đeo được.

Kích Thước Hình Dạng

Thiết kế của thiết bị bạn được xác định nặng nề bởi kích thước hình dạng của sản phẩm cuối cùng. Bạn có một màn hình trên giá đỡ di động không? Bệnh nhân sẽ đeo nó trên cơ thể không? Nó tự đứng một mình trong môi trường của bệnh nhân không?

Kích thước hình dạng của một sản phẩm IoT y tế hoặc thể dục sẽ ảnh hưởng đến cách bệnh nhân và bác sĩ sử dụng nó.

Ứng dụng trên cơ thể thường có dạng vòng đeo tay hoặc đồng hồ. Bởi vì bệnh nhân quen với việc đeo thứ gì đó trên cổ tay, nên việc đảm bảo thiết bị theo dõi được đeo liên tục trở nên dễ dàng hơn. Đối với một lựa chọn thẩm mỹ hơn, trang sức là một lựa chọn khác, với các thiết bị được tích hợp vào trong dây chuyền hoặc huy hiệu. Quần áo là một lựa chọn phổ biến khác, với anten hoặc cảm biến được tích hợp vào trong vải. Tuy nhiên, việc sử dụng quần áo thường đòi hỏi một phần cứng xử lý kết nối, điều này làm giảm sự hấp dẫn của việc sử dụng quần áo. Tuy nhiên, có khả năng rằng việc cải thiện vải điện tử sẽ giảm bớt yêu cầu về điện tử tích hợp.

Một số sản phẩm không cần theo dõi bệnh nhân liên tục và có thể có dạng thiết bị di động hoặc đồ vật trong nhà. Hầu hết các ví dụ trong nhà tập trung vào việc tập luyện thể dục, thay vì ứng dụng y tế, nhưng các nguyên tắc tương tự có thể được áp dụng. Một số ví dụ là cân kết nối với ứng dụng theo dõi và cung cấp phản hồi dài hạn về tiến trình quản lý cân nặng và chỉ số BMI của bạn. Một cách tiếp cận khác là gắn cảm biến vào nệm để nhận thông tin chi tiết về chất lượng giấc ngủ.

Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu

Các xem xét thiết kế PCB để quản lý tính toàn vẹn tín hiệu là rất quan trọng đối với các thiết bị IoT. Bạn sẽ muốn tin tưởng rằng bất kỳ thiết bị kết nối nào cũng có khả năng truyền tín hiệu chính xác trong khoảng thời gian mong đợi. Các thiết bị IoT hoạt động thông qua kết nối sẽ dựa vào các nguyên tắc thiết kế bảng mạch như định tuyến và quản lý độ rộng của đường dẫn, EMI và giảm tiếng ồn, và lưu ý đến sức mạnh tín hiệu đầu ra cần thiết.

Điện và tiêu thụ điện năng cũng là các khía cạnh của một bảng mạch sẽ cạnh tranh với tính toàn vẹn tín hiệu của thiết kế bạn.signal integrity. Các thiết bị IoT có lịch sử nổi tiếng với các yêu cầu tiêu thụ điện năng khắc nghiệt. Phần mềm thiết kế bố cục bảng mạch sử dụng các công cụ định tuyến mạnh mẽ và tích hợp kiểm tra quy tắc thiết kế trực tiếp vào giao diện của nó sẽ rất hữu ích trong việc thiết kế các bảng mạch đảm bảo về quản lý tính toàn vẹn tín hiệu.

Thách thức và Xem xét Thiết kế: Hệ thống, Tính Toàn vẹn Tín hiệu và Xử lý Dữ liệu

Dù sản phẩm của bạn có hình thái như thế nào, dữ liệu y tế và sức khỏe là rất cá nhân và cần được bảo vệ một cách đầy đủ vì lý do đạo đức và pháp lý. Tất nhiên, bạn muốn người dùng của mình có quyền riêng tư và kiểm soát dữ liệu của bản thân; tuy nhiên, tùy thuộc vào quốc gia bạn đang ở, dữ liệu y tế được bảo vệ bởi các luật khác nhau, như HIPAA ở Hoa Kỳ. Điều này có nghĩa là việc bảo mật dữ liệu trên thiết bị, trong quá trình truyền dẫn, và ở bất cứ đâu thông tin được tổng hợp tất cả cần được xem xét từ cả hai góc độ phần mềm và phần cứng.

Dữ liệu cần được bảo mật ở mọi cấp độ trong quá trình truyền dẫn và xử lý.

Bạn cũng muốn lên kế hoạch cho khả năng tương tác của sản phẩm của mình. Khả năng tương thích dữ liệu có thể không nằm trong phạm vi trách nhiệm của bạn như là phần cứng, nhưng nếu nó bị bỏ qua, thì tất cả công sức thiết kế của bạn sẽ bị lãng phí trên một sản phẩm không thể hoạt động như mong đợi. Bạn cũng không thể lơ là về phần cứng. Để thực sự đáng tin cậy và có thể sử dụng, hệ thống của bạn có thể cần phải giao tiếp với nhiều băng tần không dây hoặc tương tác với các thiết bị y tế khác mà không gặp bất kỳ rắc rối nào.

Dù IoT y tế có vẻ như là một thách thức lớn, đây là một cơ hội tuyệt vời để phục vụ bệnh nhân và cứu sống người. Với những rủi ro cao như vậy, việc sử dụng những công cụ đáng tin cậy có thể đáp ứng được nhiệm vụ, như Altium Designer^®  cho thiết kế PCB là rất hữu ích.

Để tìm hiểu thêm về việc vượt qua những thách thức trong thiết kế PCB để thiết kế các ứng dụng IoT y tế đáng tin cậy và mạnh mẽ, hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.