di Hideo Kondo | Product Marketing Engineer – Analog Mixed-Signal Group Onsemi
Con l’aumento del numero di persone che vivono più a lungo, è necessario poter disporre di servizi sanitari più efficaci e accessibili e uno dei settori in cui la tecnologia può fornire un importante contributo è senza dubbio quello dei dispositivi medicali indossabili.
Nel settore sanitario, i requisiti chiave per i dispositivi indossabili sono la capacità di fornire dati accurati e di alta qualità mediante un monitoraggio continuo, in modo da rendere disponibili informazioni utili e in tempo reale sullo stato di salute di un individuo.
Gli indossabili devono essere piccoli, leggeri, facili da usare e garantire un livello di sicurezza sufficiente per proteggere i dati sensibili da accessi non autorizzati.
Il comparto è in rapida crescita, grazie soprattutto ai progressi in termini di funzionamento efficiente dal punto di vista energetico.
Quest’ultimo, infatti, ha un profondo impatto su questo tipo di dispositivi, in quanto permette di realizzare prodotti compatti che possono operare per lunghi periodi di tempo tra una ricarica e la successiva della batteria o prima della sua sostituzione.
Il CGM ideale
Anche se sono parecchie le malattie e condizioni croniche per le quali i pazienti possono trarre beneficio dai dispositivi indossabili, una delle più comuni è senza dubbio il diabete.
Tradizionalmente, per misurare i livelli di glucosio era necessario un glucometro (BGM – Blood Measure Meter), che utilizza un pungidito per prelevare una goccia di sangue e misurare i livelli di glucosio in un singolo momento.
In tempi più recenti, le persone affette da diabete ricorrono ai dispositivi per il monitoraggio continuo del glucosio che, oltre a essere senza dubbio più pratici, forniscono un riscontro (feedback) immediato con informazioni acquisite su base continuativa e non a intervalli intermittenti.
Una misura continua permette di comprendere in maniera più approfondita le variazioni dei livelli di glucosio nel sangue di una persona nel corso di una giornata e la loro risposta in relazione alla dieta e ai livelli di attività fisica.
Un dispositivo per il monitoraggio continuo del glucosio solitamente ne misura i livelli nel fluido che circonda i vasi sanguigni e le cellule, utilizzando un sensore elettrochimico.
In un sensore di questo tipo, nel momento in cui le particelle della sostanza in esame entrano in contatto con un WE – Working Electrode avviene una reazione elettrochimica.
La perdita (o il guadagno) di elettroni di questa reazione dà origine a un flusso di corrente misurabile.
Poiché lo si indossa su base continuativa, un CGM (Continuous Glucose Monitoring) è solitamente compatto e leggero e alimentato con una batteria a bottone.
Il suo intervallo di carica, inoltre, deve essere il più lungo possibile: per questo motivo, i componenti a semiconduttore del dispositivo si contraddistinguono per dimensioni ridotte e basso consumo energetico.
Per soddisfare tutti questi requisiti, un CGM solitamente prevede un front-end analogico (AFE), che integra i convertitori A/D e D/A e le funzioni di ingresso/uscita richieste.
Oltre al circuito AFE, include un microcontrollore (MCU) che supporta tecnologie wireless, come ad esempio Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) in modo da poter comunicare con lo smartphone dell’utente o con un controllore esterno.
Una soluzione compatta e a basso consumo
Di seguito riportiamo un esempio di soluzione sviluppata per un glucometro basata su due dispositivi di onsemi: CEM102, un AFE per sensori elettrochimici, e RSL15, un microcontrollore che supporta Bluetooth® 5.2. CEM102 è un AFE che garantisce la massima accuratezza nel rilevamento elettrochimico in presenza di correnti molto basse.
Si tratta di una caratteristica importante per poter misurare con precisione le correnti sempre più ridotte generate dai sensori, fisicamente compatti, delle ultime generazioni.
Oltre che per i dispositivi medicali indossabili come appunto i CGM, il ridotto fattore di forma e i bassi consumi di CEM102 ne fanno la soluzione ideale per tutte le applicazioni in cui si richiede la misura di correnti estremamente ridotte.
È stato progettato per l’utilizzo con la MCU wireless RSL15, il microcontrollore che supporta Bluetooth LE a più basso consumo al momento disponibile.
L’impiego congiunto dei due dispositivi permette di conseguire ulteriori vantaggi a livello di sistema, come ad esempio il funzionamento con tensioni di alimentazione e consumi ottimizzati
Il sistema può operare in un ampio intervallo di tensioni di alimentazione, compreso tra 1,3 e 3,6 V, utilizzando solitamente una batteria all’ossido d’argento da 1,5 V o una batteria a bottone da 3 V.
CEM102 consuma soli 50 nA (quando disabilitato), 2 uA (in modalità di polarizzazione del sensore) e 3,5 uA (in modalità di misura attiva), con il convertitore A/D a 18 bit che effettua l’operazione di conversione su base continuativa.
Grazie a queste caratteristiche, l’AFE di onsemi è in grado di funzionare per 14 giorni con una batteria di capacità di soli 3 mAh.
Nel caso si utilizzi una batteria di maggiore capacità, il funzionamento è garantito per parecchi anni. RSL15 è una MCU a bassissimo consumo (ULP – Ultra Low Power) basata sul processore Arm® Cortex®−M33 che supporta Bluetooth 5.2.
Essa integra la gestione della potenza, uno schema di temporizzazione e GPIO flessibili e prevede un’ampia gamma di periferiche per garantire la massima versatilità di progettazione di applicazioni che richiedono elevate prestazioni e consumi estremamente ridotti.
In termini di memoria, RSL15 include una RAM da 80 KB e prevede versioni con 284 o 512 KB di Flash. Entrambi i dispositivi hanno un fattore di forma compatto: CEM102 ha dimensioni pari a soli 1,88 x 1,84 mm, mentre RSL15 è disponibile in package QFN40 o WLCSP40.
Rispetto ad altre soluzioni disponibili sul mercato, quella proposta da onsemi assicura parecchi vantaggi, tra cui maggiore accuratezza, riduzione del rumore e consumi estremamente bassi per quanto concerne la comunicazione wireless.
Per accelerare lo sviluppo del firmware e del sistema, onsemi propone la scheda di valutazione e sviluppo (EVB) per CEM102 che include anche il microcontrollore RSL15.
Per entrambi i dispositivi viene fornito codice campione per la configurazione e l’esecuzione di misure, completato da app per tablet e telefoni Android e iOS.
Una migliore assistenza sanitaria
CEM102 e RSL15 in abbinamento consentono a un sensore elettrochimico di misurare con precisione la corrente, pur operando con un consumo di energia di sistema molto basso e in un ampio intervallo di tensione di alimentazione.
Ciò consente a un CGM di ricavare dati relativi ai livelli di glucosio che vengono quindi inviati attraverso Bluetooth LE a un sistema collegato al cloud in modo da analizzarli, archiviarli e utilizzarli per la gestione del diabete.
La perfetta integrazione tra l’hardware e il software di questi due componenti, unitamente alle dimensioni compatte e all’efficienza energetica, consente di realizzare glucometri piccoli e discreti.
Grazie al bassissimo consumo, si può garantire il funzionamento per lunghi periodi di tempo tra le ricariche delle batterie o prima della loro sostituzione, assicurando così una durata operativa di parecchi anni.
I dispositivi indossabili attuali, grazie alle loro caratteristiche di praticità e affidabilità, hanno le potenzialità necessarie per trasformare l’assistenza sanitaria per milioni di persone in tutto il mondo.
Con il miglioramento dell’efficienza energetica, la riduzione delle dimensioni dei dispositivi a semiconduttore e l’incremento delle loro funzionalità, le opportunità di apportare cambiamenti positivi non mancano.
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