Le 5 principali sfide progettuali del monitoraggio remoto dei pazienti

di Sanjay Pithadia, System Engineer, Texas Instrument

Il mercato dei monitor indossabili per i pazienti è in rapida crescita. Le apparecchiature di monitoraggio remoto dei pazienti permettono di scorgere il futuro dell’Internet of Things nel campo dell’assistenza sanitaria e consentono ai medici di monitorare i pazienti in tempo reale.

Permettendo a pazienti e medici di risparmiare tempo, il monitoraggio remoto dei pazienti fornisce informazioni fondamentali sui pazienti in ambito ambulatoriale. Anche la mobilità dei pazienti è diventata una tendenza. Utilizzando una connessione sicura ad una rete wireless, i dispositivi di monitoraggio remoto dei pazienti consentono una più rapida dimissione dei pazienti dall’ospedale e di rinunciare a cavi superflui. Gli odierni prodotti medici indossabili non solo misurano i parametri vitali, ma possono fungere anche da sistemi di risposta alle emergenze personali. Sebbene si tratti di apparecchiature terminali complesse, vi sono cinque sfide di progettazione principali comuni monitor per i pazienti: consumo energetico (o durata della batteria), portabilità (o dimensioni), sicurezza del paziente, consegna sicura dei dati e integrazione.

La Figura 1 mostra uno schema a blocchi di alto livello di un monitor indossabile per i pazienti ed evidenzia i sottosistemi come la gestione della batteria, un alimentatore CC/CC non isolato, l’isolamento e un’interfaccia wireless. Un esempio di progetto di riferimento di TI è il Progetto di riferimento per dispositivo di monitoraggio ECG, SpO₂, PTT e cardiofrequenzimetro wireless per dispositivi indossabili per uso medico e di consumo.

Figura 1: Schema a blocchi di alto livello di un monitor indossabile per i pazienti

Esaminiamo quindi le cinque principali sfide per la progettazione di monitor indossabili per i pazienti.

Sfida n. 1: durata della batteria

I monitor per i pazienti portatili e indossabili sono in genere alimentati a batteria e, per i consumatori, la durata della batteria è una delle considerazioni chiave per l’acquisto. La durata della batteria è fondamentale poiché la maggior parte dei monitor per i pazienti esegue in continuo la misurazione e il monitoraggio. I sistemi alimentati a batteria richiedono un accurato partizionamento, un ridotto utilizzo degli spazi e un uso efficiente della carica disponibile. È importante abilitare più funzionalità e, al tempo stesso, fornire energia in modo più efficiente in spazi ristretti per un tempo più lungo. Funzioni come stand-by, sospensione, risparmio energetico, ibernazione e spegnimento sono fondamentali al fine di ridurre il consumo energetico e prolungare la durata della batteria. Anche i tempi di riattivazione e il consumo energetico in standby svolgono un ruolo fondamentale per le soluzioni di connettività wireless.

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Pur essendo possibile scegliere tra microcontroller (MCU) a basso consumo e circuiti integrati analogici, non si potrà sfruttare la maggior parte delle ultime tecnologie nella progettazione senza ottimizzare la gestione dell’alimentazione. È importante scegliere l’architettura di alimentazione corretta per ottenere un’applicazione più efficiente e prolungare l’autonomia della batteria.

La maggior parte dei progettisti dà per scontato che i controller o i convertitori switching contribuiscano a creare schemi di alimentazione altamente efficienti e che gli LDO (regolatori a basso dropout) abbiano una scarsa efficienza. Le topologie LDO, però, sono cambiate e possono fornire tensioni di dropout molto basse. Dopo aver ottimizzato il percorso di alimentazione front-end del caricabatterie e dei convertitori CC/CC mid-rail e degli LDO, vi è un altro modo per utilizzare un interruttore di carico al fine di ridurre la corrente di spegnimento di qualsiasi carico. Ad esempio, un modulo radio potrebbe consumare oltre 10 µA in modalità deep sleep o in ibernazione. Un interruttore di carico può ridurre la corrente di spegnimento a soli 10 nA (vedere la Figura 2).

Figura 2: L’aggiunta di un interruttore di carico a bassa perdita riduce la corrente di spegnimento

Sfida n. 2: portabilità o dimensioni

Dispositivi come cardiofrequenzimetri, cerotti multiparametrici, monitor per la misurazione continua della glicemia, pulsossimetri portatili, monitor per fitness e per le attività possono essere portatili e indossabili. Molti di questi dispositivi sono usa e getta o utilizzano batterie che devono essere sostituite. Pertanto, i requisiti complessivi per il fattore di forma sono rigidi.

La selezione del tipo di batteria e del caricabatteria, la scelta di convertitori buck, boost o buck-boost e la scelta del package per i dispositivi wireless (o a radiofrequenza) contribuiscono a ridurre le dimensioni del prodotto finale.

Sono disponibili nuove tecnologie che integrano un cristallo interno alla MCU wireless. La tecnologia bulk acoustic wave (BAW) di TI può eliminare l’ingombro del cristallo esterno dalla scheda a circuito stampato (PCB), riducendo le dimensioni del layout e facilitando il routing del layout. Anche i miglioramenti nella tecnologia del package possono aiutare a conseguire una maggiore integrazione e risparmiare spazio.

Per il monitoraggio remoto dei pazienti, la tecnologia BAW di TI può consentire un trasferimento dati affidabile e in tempo reale dei parametri vitali di un paziente su una rete wireless sicura.

Sfida n. 3: sicurezza del paziente

La sicurezza dei pazienti è una priorità sanitaria globale. I monitor per i pazienti multiparametrici portatili misurano i parametri vitali e utilizzano l’isolamento di alimentazione e dati per garantire la sicurezza del paziente. I dati e l’alimentazione sono isolati utilizzando rispettivamente isolatori digitali e alimentatori isolati. Vi sono sfide critiche per la progettazione, correlate all’isolamento di alimentazione e dati, tra cui la regolazione dell’uscita, i meccanismi di feedback, l’intervallo della tensione di ingresso, nonché considerazioni sulla potenza di uscita e sulle dimensioni, oltre a quelle legate all’adeguatezza delle architetture di alimentazione. Molti dei moduli di alimentazione isolati più recenti, come il convertitore CC/CC UCC12050 miniaturizzato di Texas Instruments, possono supportare 500 mW di potenza in uscita con isolamento rinforzato.

Sfida n. 4: consegna sicura dei dati

I cerotti per i sensori medici e i monitor per i pazienti con connettività wireless richiedono la massima sicurezza possibile. I dati dei pazienti trasmessi alle postazioni infermieristiche o agli studi medici sono informazioni riservate. Il furto di dati è una questione molto importante in questo campo.

Esistono già numerose misure di sicurezza studiate per proteggere la proprietà intellettuale e i dati inviati tra pazienti e medici. Queste misure dovrebbero disporre del supporto per difendere dagli attacchi e proteggere le trasmissioni di dati dei pazienti, non soltanto durante l’elaborazione e la conversione di parametri vitali a fini di visualizzazione, ad esempio, ma anche durante la trasmissione. Questo si intende per sicurezza over-the-air.

Sfida n. 5: integrazione

Il tempo di sviluppo per i monitor medici per i pazienti è fondamentale perché il time to market comporta numerosi test di laboratorio standard e approvazioni (sia globali che locali). È possibile abilitare il trasferimento dei dati di monitoraggio dei pazienti a domicilio con il minimo sforzo in termini di integrazione abilitando la connettività con svariati fornitori cloud. L’upload dei dati del paziente direttamente sul cloud può far risparmiare spazio sulle schede di memoria integrate.

La compatibilità del codice tra piattaforme diverse come Bluetooth®, Bluetooth Low Energy e Wi-Fi® può ridurre il numero di tentativi ricorrenti di codifica. L’integrazione in termini di maggior numero di core, ricevitori-trasmettitori asincroni universali, standard di interfaccia e più ingressi/uscite generici fornisce il supporto necessario per una gran varietà di esigenze a livello di sistema e interfacce pronte per la comunicazione con processori aggiuntivi. Vedere la «UCC12050» per maggiori informazioni.

Conclusione

La prossima grande ondata nel mondo del monitoraggio medico dei pazienti sta arrivando in misura molto contenuta. Mentre i progettisti di dispositivi indossabili e di dispositivi di monitoraggio remoto dei pazienti risolvono le sfide in questo campo e forniscono dispositivi migliori sul mercato a un prezzo più conveniente (e di dimensioni minori, ma comunque dotati di connettività), il mondo della medicina assisterà rapidamente all’adozione di cerotti più moderni. Dagli ospedali nei paesi sviluppati ai centri di telemedicina nei paesi in via di sviluppo, fino alla diagnosi dei soldati feriti sul campo, la rapida evoluzione dei dispositivi indossabili cambierà il panorama dell’assistenza sanitaria e contribuirà a fornire un’assistenza migliore.