Micro a basso costo per dispositivi medicali usa e getta

MEDICALE –

L’enorme crescita dell’elettronica monouso per applicazioni mediche è favorita dalla disponibilità di microcontrollori embedded e di digital signal controller a basso costo.

I microcontrollori a basso costo e i digital signal controller più recenti stanno favorendo l'enorme crescita negli strumenti medici economici. Altamente performanti, i microcontrollori a basso costo possono interfacciarsi con una varietà di sensori e hanno reso possibile realizzare della strumentazione medica efficace ed economicamente conveniente. Inoltre i Dsc economici possono essere utilizzati per eseguire complesse analisi matematiche sulle uscite dei sensori coniugando la diagnostica medica con le verifiche necessarie per garantire il funzionamento dello strumento.
Il risultato è che gli strumenti basati sui controllori di ultima generazione sono più compatti e richiedono interventi di calibrazione minimi o quasi nulli. Che si tratti di misurare la temperatura, le proteine, la pressione o il movimento, per elaborare e visualizzare i dati su un Lcd o su un display touchscreen i sensori per strumenti medici necessitano di microcontrollori embedded a basso costo. La potenza di elaborazione dei microcontrollori a basso costo più recenti rappresenta il fattore trainante che ha consentito lo sviluppo delle ultime generazioni di apparati e strumentazione medicale di test.Gli strumenti medici monouso rientrano sostanzialmente in due categorie: gli strumenti medici con elementi campione usa e getta e gli strumenti medici progettati per essere totalmente monouso.

Strumenti medici con elementi campione usa e getta
Gli strumenti con un elemento campione usa e getta utilizzano in genere una sonda sensore progettata per essere smaltita dopo ogni singolo test. Per questi strumenti la modularità del design permette di aumentare significativamente le caratteristiche di mono-utilizzabilità. Per il progettista dello strumento, ciò significa ripartire correttamente il progetto tra sezione di rilevamento del segnale, sezione di acquisizione dati e blocchi di analisi, includendo, dove possibile, i blocchi di rilevamento del segnale nell'elemento usa e getta. In genere, le sonde di test monouso hanno l'esigenza di integrare il rilevamento front-end con l'elaborazione back-end dei segnali, analizzandoli in formato digitale nonostante il fatto che le uscite del sensore possano contenere una sezione non-lineare. Ad esempio, i sensori di temperatura usati a condizioni ambiente vantano una precisione all'interno di un grado Celsius. Tuttavia, a temperature calde o fredde estreme la loro precisione si riduce in modo non lineare. Questa non-linearità ha un andamento parabolico che può essere descritto da un'equazione empirica.
La compensazione tramite il firmware di un microcontrollore o di un Dsc permette di ottenere una lettura precisa e lineare della temperatura sul range operativo del sensore. Utilizzando le informazioni riportate nella scheda tecnica del venditore è possibile ricavare un'equazione che descrive il rapporto tra la tensione del sensore e le sue trasformazioni al variare della temperatura. L'equazione fornisce una variazione lineare di tensione di alcune centinaia di microvolt per grado centigrado. La tensione può essere amplificata (per i sensori a uscita analogica) o interfacciata a un convertitore analogico-digitale per l'analisi e la visualizzazione. Una tecnica simile può essere utilizzata per compensare altri tipi di sensori che rilevano pressione, proteine o luce.

Strumenti medicali parzialmente monouso
Un esempio di strumento dotato di elemento usa e getta è il sistema diagnostico per la sindrome da apnea del sonno. Delle sonde monouso, costituite da termistori e circuiti di condizionamento del segnale, sono posizionate sul naso e la bocca del paziente per rilevare e inviare al controller dello strumento la temperatura del flusso dell'aria respirazione. In funzione dell'uscita dei sensori, il controller del sistema calcola i parametri del tracciato di respirazione. La memoria non volatile dello strumento ospita un elenco di valori normali di respirazione e le relative deviazioni in più o in meno. Il software di sistema utilizza i valori misurati dalla sonda e fa un confronto con il modello di respirazione normale.
Quando viene rilevata una deviazione, viene inviato al display una notifica di rischio-apnea. Queste informazioni consentono ai medici di sottoporre il paziente a una diagnosi o a ulteriori prove. Anche i misuratori di glicemia utilizzano un elemento campione usa e getta: si tratta di strisce di test appositamente rivestite che permettono di misurare la quantità di glucosio nel sangue.

I misuratori di glicemia più recenti utilizzano una tecnica colorometrica: l'azione capillare della striscia permette di prelevare il campione di sangue che poi viene a contatto con un elettrodo contenente un enzima glucosio ossidasi. Dopo la ri-ossidazione dell'enzima con ioni di ferrocianuro, la carica totale che passa attraverso l'elettrodo indica la concentrazione di glucosio nel sangue. Un microcontroller valuta la corrente che transita e restituisce il valore del glucosio per la visualizzazione su un Lcd.
Nei misuratori di glucosio nel sangue, come in altri strumenti medici, la calibrazione è una questione cruciale. Ad esempio, durante il normale funzionamento i glucometri possono raggiungere una precisione del ± 10-15% in funzione di una serie di fattori quali la calibrazione, temperatura ambiente, la gestione delle strisce reattive, la dimensione del campione di sangue, l'umidità e la durata di conservazione di strisce reattive. I microcontrollori avanzati consentono ai produttori di strumenti di tenere conto di queste variazioni e di preparare gli utenti visualizzando delle notifiche in merito alle cause che possono portare a risultati non accurati. I microcontrollori embedded più recenti combinano una serie di innovazioni associate a uno sviluppo di tipo modulare che consentono ai progettisti di presentare i dati di zucchero nel sangue in maniera più efficace. Ciò può comportare la raccolta di ulteriori dati da cui è possibile ricavare ulteriori suggerimenti per i pazienti. Un altro tipo di strumento medico con un elemento campione usa e getta è il misuratore di acido lattico. Esso consente ai medici sportivi di calcolare con precisione le zone ideali di allenamento di un atleta in funzione della frequenza cardiaca. Il misuratore di acido lattico opera similmente ai misuratori di glucosio, valutando l'enzima lattato mediante fotometria a riflessione su un piccolo campione di sangue usando una specifica lunghezza d'onda della luce. I misuratori di acido lattico più all'avanguardia sono disponibili in formati tipo carta di credito, con una striscia reattiva che funziona su un campione di sangue ridotto e restituisce i risultati in meno di un minuto. Questi strumenti dispongono di una compensazione automatica della temperatura che sfrutta un sensore incorporato. Il test dell'acido lattico permette di determinare il comportamento di un individuo al variare della frequenza cardiaca. Poiché il rapporto tra l'intensità dell'esercizio e la frequenza cardiaca varia in funzione degli esercizi, è possibile determinare dei programmi di allenamento in base alle risposte del singolo individuo. Altre tecniche avanzate, basate su principi di progettazione modulare e sull'uso di microcontrollori embedded, sfruttano le connessioni remote a un ambulatorio medico e una tastiera per il data entry nello strumento o in un PDA per l'invio dei risultati a un computer. Sfruttando la memoria dello strumento, i progettisti possono modificare il firmware per tenere traccia dei tracciati di test e anche per presentarli sotto forma di semplice grafico su display Lcd a basso costo. In alcuni strumenti sono gli elettrodi ad essere usa e getta. I defibrillatori, per esempio, rilasciano una scarica elettrica attentamente controllata sulla base del feedback ricevuto tramite il pad sensoriale applicato al torace del paziente. Poiché ogni secondo è vitale, il defibrillatore ha bisogno di calcolare correttamente e rapidamente ogni volta il dosaggio preciso di energia della prima scarica. La scossa elettrica è somministrata per mezzo di elettrodi applicati sulla superficie esterna della parete toracica o direttamente sul muscolo cardiaco esposto: ciò permette di ripristinare l'impulso elettrico del cuore e di normalizzare il ritmo cardiaco. Tensione, corrente, tempi e forme d'onda di erogazione hanno tutti un impatto sulla quantità di energia fornita al cuore del paziente. Alcuni defibrillatori usano forme d'onda bifasiche e circuiterie intelligenti per fornire meno corrente rispetto ai sistemi tradizionali di forma d'onda monofasica. Questi strumenti di potenza ad alta efficienza sono stati progettati per garantire una maggiore efficienza rispetto alle soluzioni con correnti di picco relativamente più contenute e sfruttano un design a bassa capacità che permette di generare in modo efficiente una forma d'onda di impedenza personalizzata in funzione del paziente. Per fare questo, il defibrillatore ha bisogno di eseguire calcoli matematici complessi utilizzando dei Dsc che supportano le istruzioni DSP e le periferiche necessarie per il condizionamento del segnale e per calcolare accuratamente le forme d'onda in grado di fornire la giusta quantità di carica.

Dispositivi totalmente usa e getta
I microcontrollori Flash-based di ultima generazione sono in grado di pilotare i monitor Lcd in modalità sleep mantenendo contemporaneamente le funzionalità per consentire lo svolgimento di test medici in ambito domestico con strumenti totalmente usa e getta. Per esempio, i sensori dei tester di gravidanza usa e getta permettono di rilevare l'ormone della gravidanza, la gonadotropina corionica umana (HCG), nelle urine e di visualizzare il risultato su un Lcd. Anche i misuratori di glicemia possono essere completamente usa e getta. Questi misuratori compatti sono dotati di schermo integrato montato su un flaconcino di test: la prova viene effettuata rimuovendo la striscia dal flacone e inserendola nella parte superiore dello strumento. Quando le strisce reattive sono esaurite, la macchina viene scartata.

La tecnologia touchscreen
In un altro contesto i microcontrollori a basso costo stanno rendendo gli strumenti medici più user-friendly grazie all'integrazione di un Adc a 10 bit che si interfaccia a un display touchscreen resistivo. Questi display non solo aumentano la facilità d'uso dello strumento, ma permettono anche di eliminare le tastiere specializzate e gli altri dispositivi di puntamento. Un display touchscreen può permettere ai misuratori di glucosio nel sangue o di acido lattico di visualizzare messaggi interattivi che mostrano la percentuale di letture entro i limiti di riferimento, in base alla frequenza di alti e bassi.

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