挑战做出更好的医疗传感器

既然COVID-19大流行已经麻木的我们远程医疗和家庭健康监测,我们可能获得卫生保健的方式改变了。不出手温度计和我们个人的脉搏血氧计现在不仅仅是令人垂涎的小玩意。他们有真正的临床应用可能成为“接入点”系统。的使用意味着我们不需要去诊所检查。

但传感器是如何准备这个新角色?他们是足够准确吗?

传感器测试期间和之后的生产级制造不像测试数字集成电路。在数字电路中传感器和做检测,传感器通常有模拟需要校准以及测试的组件。最重要的是,传感器越来越复杂。多个传感器类型在相同的小形式因素,设计和测试的复杂性上升。

测试传感器的挑战不是高级节点的典型问题。“你真的没有这个问题,”安德鲁·贝克说的董事总经理马克西姆集成的工业和医疗业务单元。“与这些设备在模拟世界,我们谈论的是0.18微米,可能搬到90海里。”

贝克说,更大的问题,在系统级设计传感器获得足够的精度和良好的信噪比(信噪比)的传感器。COVID-19真正带回家,教训是不同的公司正试图设计一个手持COVID测试人员。“这真是一个系统级的设计,你需要考虑,”贝克说。

在某种程度上,系统设计意味着所有这些传感器可以保持他们的准确性在小形成因素,总有一天会瘦得像穿在身上,不太饿。COVID测试人员将监控主要生命体征:

• 跟踪一个人的温度,是否有改变在一段时间内。温度传感器需要临床准确。
• 测量血氧饱和度(热点₂使用LED光学传感器)在血液里。这里的问题是,运动可以影响信号。
• 跟踪呼吸率——每分钟多少次,然后寻找趋势和变化。这里使用一个生物电势传感器。
• 心率通过心电图(ECG)心律失常。马克西姆集成使用心电图AFE。

图1:箴言集成安全MAX30002心电图的典型应用电路。来源:箴言集成

混合起来
传感器的组合应该是防止假阳性。你不想想你COVID-19,当你只有一个寒冷。“这些天温度变得非常,非常重要的。我们想要看趋势。有人发烧或只是热吗?需要有一些背景的,因此希望有多个传感模式在一个设备,这样他们会有关联,”贝克说。“这就像是一个弹射座椅。不要排出的家伙,除非三个电脑一致。”

在传感器、算法和一些计算能力是必要的。

其他类型的传感器是值得看的。“光学是一个巨大的领域。很方便、无创,广泛、容易部署和有很多的发展这一领域,从硬件、算法和软件。热点;₂当然,您将使用光学测量的方法,”他说。

一个新的新兴领域是电化学。“我们宣布我们的第一个产品在电化学领域真正面向连续葡萄糖监测(CGM),”贝克说。“这是一个地区的发展。基本上,你可以分类为流体。它可以在体外,体内血液中被测量的东西。在CGM的情况下,它是一个微创的传感器插入几毫米以下的皮肤。然后你基本上找一个化学反应的葡萄糖,在实际的组织液。但这是可以开发的区域的即时和接入点设备——任何你可以测量电化学原理。它可能是抗体或任何类型的液体以电化学方式你想看的内容。”

气体传感器是健康的前沿,你不经常看到。但他们有潜力在卫生保健领域,以及在环境传感。检查“呼吸”——一个人的呼吸的气体组分相关性糖尿病对某些,或其他疾病。

“如果一个人有一个非常糟糕的消化紊乱,呼吸的构成将是非常不同的从一个人与一个健康的消化系统,例如,“Sreeni Rao说,高级主管TDK的气体和环境感知的产品和业务。“更高水平的丙酮-气体叫做丙酮——在一个人的呼吸明显糖尿病的标志。实际上有很多工具,利用这一事实,只是没有光刺破你的手指和糖尿病血糖阅读或阅读。这是另一个角度,这整个呼吸传感器是我们的气体传感器。这也是非常重要的。我们呼出具有极高的医疗价值。”

但气体传感有一些硬限制。“为惰性气体二氧化碳,创新渠道的数量实际上是相当有限的,”Rao说。“但是如果你积极气体,像酒精一样,他们是复杂的分子。他们不容易做出反应,但他们仍然活跃在某种意义上与一些化学反应。但必须特定于电化学气体。它是可能的,有公司产品,与这些气体做这种反应。”

在这些努力中TDK并不孤单。手臂已经开发了一个有机的场效应晶体管——塑料腋窝传感器响应体味等有机化合物。“如果你把这些设备的数组和添加机器学习,它可以分类气味的特点,”约翰·比格斯说手臂联合创始人兼研发顾问工程师。

松弛算法的信号
也许更大的交易是附带传感器算法几乎是更强大的比传感器本身。一些算法现在这么好,他们可以解释弱信号和弥补传感器的准确性。“你会惊奇地发现这些算法有效,”贝克说。“总有挑战得到良好的信号,但你可以从一个相对贫穷的信号中提取大量的信息如果你有一个非常,非常好的算法。”

算法不只是医学传感器。他们被用于药物开发和测试。健康改变药物试验中需要测量更有效更迅速,这需要反馈到药物创建管道。实际上,一个变成了其他的延伸,几乎像一个生物版本的硬件软件合作设计。

“面临的挑战是如何设计药物,没有失败,”吉多•兰扎说,总裁兼首席执行官的,创业关注化学分子设计。“当大多数人认为机器学习,他们认为图片的公司在做什么。这是相当直接映射到医学。使用人工智能模式识别可以确定药物不起作用。”

这里的关键是数据,每个数据点是昂贵且难以收集,兰扎说。“制药公司所做的是尝试一种药物对数以百万计的目标,但这产生了几个问题。首先,这不是一个聪明的方法其次,不是一切都是可测试的。”

什么不是可测试可以外推,然后测试设备可以调整。但这需要良好的数据。一旦数据被收集,是否本地设备内,或在云中,它可以清理和数据提取。

算法还可以减少噪音。“这些测量是最大的“运动,”贝克说。“你必须至少加速度计陀螺系统中。使用光学数据一起,你将是什么运动和实际的心率信号。明了的算法感兴趣的信号。”

接下来的问题是信号是否准确。“你需要校准的温度和压力与MEMS设备,”卡尔·摩尔说,收益管理专家yieldHUB。“但这些设备也有电源管理集成电路,和大量的节点是不可测试的。当你设计这些设备,你需要了解什么是可测试的节点。可能有数百个测试节点内部。如果你测试内部节点,决定你是否要运行它们缓慢,平均,还是放大他们一个合理的水平。或者你必须做出设计你可以感觉到外面的。”

噪声可以从其他环境条件,出现,包括光和热。系统设计者必须考虑所有这一切。

“这真的是一个系统级的设计,如果你有一个非常贫穷的光学结构,你会得到一个糟糕的信号,“马克西姆集成的贝克说。“不管你做什么,它从后端电子产品,你会得到一个糟糕的信号。之间有一个平衡的最佳信号和最低的权力。基本上你想要尽可能低的权力,但得到最好的信号,然后归结为你的算法能够辨别这些信号。一些算法更善于辨别信号从一个糟糕的信号。”

规定你的朋友
监管机构的批准意味着很多医疗监测系统,像一个可穿戴或中听的。设备可以合理地使用被称为“临床等级”和医生。临床级借一定的信任结果监控装置。批准也可以把问题放在前面。

“因为气体通常是无形的,看不见,他们常常心不在焉,“TDK的Rao说,“消费者需要教育,二氧化碳和一氧化碳是沉默的杀手。有人通过规定——在这种情况下,政府在二氧化碳/一氧化碳传感器市场了。”

当获得FDA或其他监管部门的批准,它是所有大公司先走好过程。“很好,800磅重的大猩猩是为其他人铺平了道路。这将有利于整个市场,”贝克说。一旦同类设备的第一个被FDA批准,通过新创过程为新设备,其他设备批准通过一个简单的过程,如果它的可证明的产品是相同的。

“我们现在看到,消费者企业得到FDA的批准,”贝克说。“例如,苹果与苹果的手表。他们得到美国食品及药物管理局批准afib筛查检测。实际上,很多这些设备都被医生推荐的。甚至在这个医生看到价值。现在设备被FDA批准真的代表了这些设备的功效和提供的数据的可靠性。”

测试,校准费用
生产部署必须加大起飞。如果设备和测试仍然是昂贵的。“一个大因素成本在任何MEMS装置,不仅是气体传感器,是真正的测试。任何人的巨大挑战,气体传感器的空间想解决或需要解决是测试过程的测试成本和测试方法,”Rao说。测试传感器和校准是将其在热油浴、室气体注入,手臂旋转传感器对地球的引力,和许多更多。这一切都取决于传感器。

几乎每一个传感器都必须被测试。“你的一些性能参数可以保证通过设计,可以保证一些特征,但有一组参数规格表数据,您必须测试device-by-device基础上让你本设备正确地创建一个类,类B, C类,”他说。“至少有一组最小的参数就像一个基本水平的气体传感器的准确性——多少ppm,有多敏感,或有多准确呢?这些东西你无法避免测试每个设备生产。”

这也增加了总成本。“测试成本更比以前,“yieldHUB的摩尔说。“可能有2000 - 3000测试设备上。与数字,你可以高度并行测试。但随着模拟,它不是那么容易。对权力和MEMS,有一个内在的挑战。你可能会得到8或16块测试,但不是一切。”

又一个完整的系统视图,并针对哲学将我成功与失败之间的差别。”当涉及到传感器设计和设计复杂系统的一般在我看来测试应该实现从一开始,“本杰明Prautsch说,集团先进的混合信号自动化的经理弗劳恩霍夫研究所集成电路IIS分部工程自适应系统的东亚峰会。“这意味着我们必须照顾一般可测试性:

• 实现一个完整的系统模型验证和覆盖率以及运行真正的用例(任务配置文件)快。
• 设计测试:使系统状态和内部“可见”进行验证。即。验证过程中,我们只能“看见”包针(相反的能见度芯片内部运行时验证),他们应该有额外的针,易用性测试
• 自测:包含硬件和/或软件,允许自主测试芯片或系统本身。这尤其重要,因为测试时间制造不会足够长的时间后由于相关的成本。
• 系统化的设计流程:确保系统模型正确地“翻译”成IP最后硅designflow对面的规范系统的物理布局。参见德国相关项目https://www.elektronikforschung.de/projekte/anastasica

测试和校准传感器市场在其他方面能还清。“我们最近推出了一个clinical-grade温度传感器。它基本上是一个数字温度计”,马克西姆集成的贝克说。“我们有非常高水平的准确性的工厂,所以我们这个设备校准到0.1°c,我们保证准确性水平即使在客户有焊接,在他们的董事会。由于机械应力,温度可能会改变,尤其是当你焊在黑板上的东西。这通常是机械应力。我们给一些建议如何你应该焊料。一旦这些建议后,我们保证准确性即使它被放置在黑板上。显然在工厂比我们更准确的保证,因为会有一个轻微的改变当你把它在黑板上。这真的是超级的价值主张低功率连续测量,一半我们的最近的竞争对手的力量。 It’s a 2mm x 2mm package, very tiny, and it has very fast response time in terms of the response to change in temperature.”

结论
COVID-19大流行的结果是更多的医疗保健将远程管理,在家里使用监控设备和远程医疗。这个精灵COVID释放出来的,而且可能帮助拯救生命和医疗费用。

“我相信这是一个转变,不仅仅是一个暂时的波动,”贝克说。“有一个长期的残余效应。一旦设备被部署,你把基础设施,它可以用于更广泛的群体。”

编者斯珀林对此报道亦有贡献。