Dispozitivele medicale evoluează de la echipamente portabile la dispozitive uşor de purtat. Acestea se doreşte a fi utilizate continuu pentru perioade mari de timp, îngrijirea sănătăţii părăsind limitele spitalului şi devenind mai integrată în viaţa oamenilor.
de Marten L. Smith, Inginer coordonator, Grupul de Produse Medicale, Microchip Technology Inc.
Dispozitivele medicale uşor de purtat nu sunt un concept nou; dispozitive precum plasturii de nicotină şi plasturii pentru rău de maşină sunt familiari şi pun temelia pentru o nouă generaţie de produse electronice, inclusiv plasturi pentru iontoforeză.
Un curent electric facilitează iontoforeza, ce permite introducerea medicamentelor prin piele. Medicamentul transdermal este ionizat, dizolvat într-o soluţie apoasă şi aplicat pe un electrod aflat în plasture. Figura 1 prezintă modul prin care acest compus ionizat, cu formulă specială, poate fi apoi condus prin piele prin curent continuu. În funcţie de medicament şi de condiţiile de tratament, plasturii moderni pot fi purtaţi de la câteva minute la câteva ore.
Iontoforeza are câteva avantaje. Medicamentul poate fi dozat local la nivele foarte ridicate; spre deosebire de a fi distribuit în întreg corpul, cum este cazul utilizării siringilor. Administrarea locală poate conduce la o eficienţă îmbunătăţită şi la reducerea efectelor secundare. Producerea acestor distribuitoare de medicamente economice şi de unică folosinţă a fost posibilă datorită progreselor recente în tehnologia electronică, precum proiectele de surse de tensiune în comutaţie – împreună cu microcontrolerele de înaltă performanţă, eficiente economic. Iontoforeza autoaplicantă este deja uzuală pentru o gamă de condiţii, inclusiv dureri de cap şi herpes.
Ceea ce este critic, este partea consumabilă a dispozitivului, în cazul iontoforezei fiind vorba de plasturi, şi reprezintă o provocare semnificativă pentru proiectanţi. Acest lucru se întâmplă deoarece plasturele este partea ce odată utilizată trebuie aruncată, ceea ce înseamnă că electronica plasturelui trebuie să fie mică şi ieftină. Fiind vorba şi de un obiect mic ce poate fi aruncat, costul bateriei şi capacitatea energetică impun mai multe constrângeri de proiectare. În final, proiectul trebuie să poată fi uşor modificat pentru caracteristici suplimentare, precum schimbări de dozaj şi durată. Dispozitivul trebuie să producă suficientă tensiune pentru a putea conduce la atingerea nivelelor de curent necesare infuziei prin piele a dozei corecte, pentru perioada de timp necesară. Pentru dezvoltarea unui dispozitiv de iontoforeză mic şi economic este nevoie de un convertor ridicător de tensiune ce poate comanda un curent controlat prin piele, împreună cu un microcontroler (MCU) pentru controlul convertorului.
Pentru atingerea curentului necesar penetrării pielii, stabilizatorul ridicător de tensiune poate ridica tensiunea de la una de valoare mică a unei baterii economice precum tip buton cu Litiu sau alcalină pentru a oferi putere electronicii plasturelui.
MCU trebuie să fie atât mic, cât şi înalt integrat pentru a răspunde cerinţelor de cost şi funcţionalitate. În aceste dispozitive sunt utilizate microcontrolere Microchip PIC12F1822 pe 8 biţi, respectând cerinţele de înaltă integrare, dispunând de un convertor analog/digital pe 10 biţi, referinţă de tensiune fixă, comparator, PWM, temporizatoare hardware şi EEPROM.
Referinţa fixă de tensiune elimină necesitatea unui stabilizator sau a unei referinţe externe, păstrând proiectul la nivelul unui MCU pe 8 pini, reducând astfel costul şi suprafaţa de placă ocupată.
Cu scopul de a îmbunătăţi calitatea vieţii şi a grijii pentru sănătate, inovaţia tehnologiei electronicii suportă acum dezvoltarea de dispozitive medicale ce se intenţionează să fie purtate pe corp pentru perioade lungi de timp. Dispozitivele de această natură aflate curent în uz includ dispozitive de monitorizare a glucozei şi înregistratoare de evenimente cardiace.
Un exemplu interesant de dispozitiv pentru utilizare pe termen lung îl constituie un sistem de predicţie a ovulaţiei, utilizat pentru maximizarea oportunităţii concepţiei. De exemplu, monitorizatorul de fertilitate marca DuoFertility, realizat de Cambridge Temperature Concepts (Figura 2) implică un număr de funcţii esenţiale pentru sistemele de monitorizare pe termen lung. Procesul de ovulaţie se corelează cu schimbări de temperatură corporală bazală de ordinul minutelor; măsurarea cu precizie a acestor schimbări pe durata mai multor cicluri poate ajuta la estimarea zilei de ovulaţie.
În acest scop, senzorul acestui dispozitiv de fertilitate măsoară continuu temperatura corporală bazală pentru o perioadă de până la 6 săptămâni, spre deosebire de monitorizatorul continuu pentru glucoză, proiectat să opereze până la o săptămână.
Dispozitivul poate prezice când va apărea ovulaţia cu şase zile în avans prin utilizarea schimbărilor de temperatură înregistrate continuu. Această abordare elimină variaţiile obţinute prin determinarea manuală a temperaturii. O provocare de design este aceea de a crea un dispozitiv care să poată fi la un moment dat ataşat confortabil pe corp pentru mai multe luni. În acest caz, soluţia constă dintr-un sistem format din două părţi; unitatea senzorială de mărimea unei monede este ataşată corpului utilizatorului cu ajutorul unui adeziv biocompatibil, în vreme ce cititorul portabil analizează datele şi permite utilizatorului să transfere datele către medici pentru analize suplimentare. Aceste aspecte asigură că senzorul este cel mai mic şi uşor posibil, după cum se demonstrează în diagrama funcţională din Figura 3.
Mediul în care îşi desfăşoară activitatea utilizatorul şi activităţile sale pe o perioadă de câteva luni, reprezintă de asemenea o provocare. Un dispozitiv ce poate fi purtat pentru câteva luni trebuie să reziste la o serie întreagă de condiţii, incluzând aici dormit, exerciţii, duş sau chiar schiat. De aceea, designul senzorului şi modul său de capsulare trebuie să furnizeze măsurări precise de temperatură indiferent dacă este deschis pe o parte sau este acoperit de mâna utilizatorului. O pereche de termistoare potrivite măsoară temperatura şi fluxul termic dintr-o parte în alta a senzorului, făcând ca acesta să aibă o precizie de câteva miimi de grad. Prin integrarea în senzor a unui accelerometru se asigură luarea în considerare a mişcării utilizatorului.
Volumul disponibil pentru baterie este foarte limitat în cazul electronicii dispozitivelor ce pot fi purtate. De aceea consumul de putere trebuie să fie extrem de redus. Proiectanţii acestui senzor au utilizat un microcontroler PIC16F886 MCU pe 8 biţi; un consum minim de curent este atins prin utilizarea caracteristicii de revenire la modul de funcţionare cu consum ultra-redus (ultra low power wake-up).
În mai puţin de 1 ms, senzorul poate reveni în funcţionare, realizează măsurătoarea şi revine în modul de aşteptare până trebuie făcută următoarea citire. Acest timp redus de activare permite proiectanţilor dispozitivului să obţină un consum mediu de putere de mai puţin de 1 µA, şi o durată de viaţă a bateriei de 6 săptămâni utilizând o baterie mică cu Litiu tip buton CR1216. Modulul senzorial trimite datele la cititor utilizând un protocol RFID modificat, în care comunicaţia este iniţializată prin apropierea cititorului de senzor. Acest transfer de date reprezintă o provocare deoarece necesită un consum energetic mai mare decât măsurarea, dar păstrând citirile de temperatură de la senzor în 16 megabyte de memorie flash de sine stătătoare este minimizat curentul şi se permite astfel ca datele să fie încărcate la câteva zile. Datele colectate de către senzorul pe termen lung pot necesita să fie analizate de persoane cu pregătire, ele putând fi transferate pe un PC sau prin Internet. Cititorul portabil transferă datele către un PC prin perifericul USB aflat pe cipul microcontrolerului pe 16 biţi PIC24FJ256 GB106 de la Microchip cu tehnologie nanoWatt.
Butoanele de pe panoul frontal implementate cu ajutorul CTMU (Charge Time Measurement Unit – unităţii de măsurare a timpului de încărcare) integrată pe MCU şi tehnologia tactilă capacitivă mTouch™ permit utilizatorului să introducă date suplimentare.
Comunicaţia dintre producătorul dispozitivului şi cititor permite perfecţionarea predicţiei ovulaţiei; aceeaşi capabilitate poate permite reconfigurarea de la distanţă a MCU. Producătorul poate rula programe de diagnosticare şi poate trimite actualizări de software către sistemul de monitorizare prin utilizarea aceleiaşi flexibilităţi.
Odată cu progresele continue în domeniile biologiei, fiziologiei, chimiei şi electronicii, dispozitivele medicale portabile destinate pentru utilizare pe termen lung, vor conduce la noi opţiuni de diagnosticare şi terapie pentru mai multe afecţiuni.
www.microchip.com
Numele şi logo-ul Microchip şi PIC sunt mărci înregistrate ale Microchip Technology Inc. în SUA şi alte state. mTouch este marcă comercială a Microchip Technology Inc. Toate celelalte mărci menţionate aici sunt proprietatea companiilor lor.