מאת: לי ק. קוה, Microchip Technologies
באם הם מודדים טמפרטורה, פרוטאינים, לחץ או תנועה, החיישנים במכשירים הרפואיים זקוקים למיקרו-בקרים משובצים זולים כדי לעבד ולהציג את הנתונים שלהם על-פני תצוגת LCD או על מסך-מגע. כוח העיבוד של המיקרו-בקרים הזולים החדשים ביותר הוא הכוח המניע המצייד את הדורות האחרונים של הבדיקות והמכשור הרפואי.
מכשירים רפואיים מתכלים מתחלקים בגדול לשני סוגים: ראשית, ישנם מכשירים רפואיים בעלי מרכיבי דגימה מתכלים וכמו כן ישנם מכשירים רפואיים המתוכננים להיות מתכלים בשלמותם.
קיזוז הדיוק
מכשירים בעלי מרכיב דגימה מתכלה ישתמשו לרוב בחיישן המתוכנן להתכלות לאחר בדיקה יחידה אחת. עבור מכשירים אלה, המודולריות של התכנון תשפר משמעותית את כושר ההתכלות. עבור מתכנן המכשיר, המשמעות היא לחלק נכון את התכנון ליחידות של גילוי האות, איסוף הנתונים והניתוח, וכאשר הדבר אפשרי, לכלול את יחידות גילוי האות עם המרכיב המתכלה.
לרוב, בחוני (probes) הבדיקה המתכלים צריכים לשלב גילוי בחזית המכשיר עם עיבוד בקצה האחורי ולעבד את האותות בצורה דיגיטלית, למרות העובדה שמוצאי החיישנים עשויים להכיל קטע לא-ליניארי. לדוגמה, חיישני טמפרטורה המשמשים בטמפרטורת החדר מדויקים עד כדי מעלה צלזיוס אחת. אולם, בטמפרטורה קיצונית חמה או קרה, הדיוק שלהם יורד באופן לא-ליניארי. לאי-ליניאריות זו צורה פרבולית הניתנת לתיאור על-ידי משוואה אמפירית.
הקיזוז, דרך קושחה במיקרו-בקר או DSC, יכול לספק קריאת טמפרטורה מדויקת וליניארית בתחום הפעולה של החיישן, כמתואר באיור 1. תוך שימוש בדפי הנתונים של היצרן ניתן לבנות משוואה המראה את הקשר בין מתח החיישן והשינויים שלו עם שינויי הטמפרטורה. המשוואה מספקת שינוי ליניארי של כמה מאיות מיקרו-וולטים למעלה צלזיוס. לאחר מכן ניתן להגביר את המתח עבור חיישני מוצא אנלוגיים, או לממשק אותו לממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC) לצורכי ניתוח ותצוגה. ניתן להשתמש בטכניקה דומה כדי לקזז סוגים אחרים של חיישנים המודדים לחץ פרוטאין או אור.
מכשירים רפואיים מתכלים בחלקם
דוגמה של מכשיר בעל מרכיב דגימה מתכלה הוא מכשיר האבחון של סינדרום ה-sleep-apnea. בחונים מתכלים, הכוללים תרמיסטורים ומעגלי עיבוד אות ממוקמים על האף והפה של המטופל כדי לדווח על טמפרטורת זרימת האוויר של הנשימה בחזרה אל בקר המכשיר. על-בסיס מוצא החיישנים, בקר המערכת מחשב את הפרמטרים של סוג הנשימה. הזיכרון הלא-נדיף של המכשיר מכיל רשימה של ערכי סוגי נשימה נורמליים והסטיות מעל ומתחת להם. תוכנת המערכת משתמשת בערכי בחון החיישן הנמדדים ומתאימה אותם כנגד צורת הנשימה הרגילה. כאשר מגלים סטייה, ערך ה-apnea-risk נשלח לתצוגה. מידע זה מאפשר לרופאים לאבחן את המטופל לקראת בדיקות נוספות.
מדי הגלוקוזה בדם משתמשים גם הם במרכיב דגימה מתכלה, בעל פסי בדיקה מצופים במיוחד, כדי למדוד את כמות הגלוקוזה בדם. מדי הגלוקוזה בדם החדשים ביותר משתמשים בטכניקה קולומטרית, בה פעולה קפילרית של פס הבדיקה מושכת את דגימת הדם, אשר באה לאחר מכן במגע עם אלקטרודה המכילה אנזים של glucose oxidase. לאחר חמצון מחדש של האנזים עם יונים של ferrocyanide, המטען הכולל העובר דרך האלקטרודה מראה את ריכוז הגלוקוזה בדם. מיקרו-בקר מעריך את הזרם העובר דרך הדם ומעביר את ערך הגלוקוזה לתצוגה על-גבי LCD.
במדי גלוקוזה בדם, כמו גם במכשירים רפואיים אחרים, הכיול הוא גורם עיקרי. לדוגמה, מדי גלוקוזה מדויקים עד כדי ±10-15% במהלך פעולה רגילה, תוך הסתמכות על מגוון גורמים כגון כיול המודד, טמפרטורת הסביבה, הטיפול בפסי הבדיקה, גודל דגימת הדם, לחות ואורך חיי המדף של פסי הבדיקה. מיקרו-בקרים מתקדמים מאפשרים ליצרני המכשיר לקחת בחשבון שינויים אלה ולהכין את המשתמשים על-ידי הצגת אזהרות על תוצאות לא-מדויקות.
המיקרו-בקרים המשובצים החדשים ביותר, המשלבים תכנון חוזר מועט של המודדים על-פי עקרונות מודולריים, מאפשרים למתכננים להציג נתוני סוכר בדם בדרכים חדשניות. הן כוללות איסוף של נתונים נוספים מתוכם ניתן לפתח דרכי-פעולה והצעות עבור המטופלים.
סוג אחר של מכשיר רפואי המודד בעזרת מרכיב דגימה מתכלה הוא מד-הלקטט (lactate). הוא מאפשר לפעילי רפואת ספורט לחשב במדויק אזורי האימון בקצב הלב של אתלט. מדי לקטט פועלים באותה הצורה כמו מדי סוכר בדם, ובודקים את אנזים הלקטט באמצעות פוטומטריה של הקרינה המוחזרת (reflectance) בדגימת דם קטנה תוך שימוש באורך-גל ספציפי של אור.
מדי בדיקת הלקטט בדם החדשים ביותר בנויים בצורת כרטיס אשראי, עם פס בדיקה הפועל על דגימת דם קטנה והמחזיר תוצאות תוך פחות מדקה. מכשירים אלה כוללים קיזוז טמפרטורה אוטומטי, תוך שימוש בחיישן מובנה. בדיקת הלקטט קובעת תגובת הנבדק לקצבי הלב. מאחר והקשר בין עצמת התרגול וקצב הלב שונה בתרגילים שונים, תכניות האימונים יכולות להתבסס על התגובות האישיות.
טכניקות מתקדמות אחרות, המבוססות על עקרונות מודולריים והמשתמשות במיקרו-בקרים משובצים, כוללות קשר לקבינט הרופא ומפתח לכניסת נתונים בתוך המודד או ה-PDA כדי להעביר את התוצאות למחשב. בעזרת שימוש בזיכרון המכשיר, המתכננים יכולים לשנות את הקושחה כדי לעקוב אחר תבניות בדיקה ואף להציג אותן בתור גרף פשוט עם LCDs זולים.
במכשירים אחדים האלקטרודות הן החלק המתכלה. דפיברילטורים, לדוגמה, מספקים הלם חשמלי המבוקר היטב, על בסיס המשוב המתקבל דרך כריות החיישנים המחוברים לחזה המטופל. מאחר שכל שנייה קובעת, הדפיברילטור חייב לחשב במדויק את מנת האנרגיה ההתחלתית, כל פעם. ההלם החשמלי מסופק או דרך אלקטרודות מחוץ לדופן החזה או במישרין אל שריר הלב החשוף, כדי לאפס את הפולס החשמלי של הלב ולמתן את קצבי הלב. המתח, הזרם, תזמון צורת הגל והספקתו כולם קובעים את כמות האנרגיה המסופקת ללב המטופל.
דפיברילטורים אחדים משתמשים בתכנוני צורת-גל דו-מופעית ומעגלים חכמים כדי לספק פחות זרם מאשר המערכות של צורת-הגל החד-מופעית המסורתיות. מכשירים יעילים-להספק אלה תוכננו כדי להיות יעילים בזרמי-שיא נמוכים יותר יחסית ודורשים תכנון בעל קיבול נמוך כדי להפיק ביעילות צורת-גל התואמת את עכבת המטופל. כדי לבצע זאת, הדפיברילטור חייב לבצע חישובים מתמטיים מורכבים, תוך שימוש ב-DSCs התומכים בהוראות DSP ובמעגלים ההיקפיים של עיבור אותות החיוניים, כדי לחשב במדויק צורות גל המספקות את כמות המטען הנכונה.
מתכלים במלואם
המיקרו-בקרים מבוססי-הבזק, מנוהלי-הספק, האחרונים מסוגלים להפעיל LCDs במוד שינה תוך שימוש בפונקציונליות המאפשרת בדיקה רפואית בבית תוך שימוש במכשירים מתכלים במלואם. לדוגמה, חיישנים בבודקי היריון מתכלים מגלים את הורמון ההיריון, Human Chorionic Gonadotrophin (HCG) בשתן ומציגים את התוצאה על גבי LCD.
מדי גלוקוזה בדם יכולים אף הם להיות מתכלים במלואם. מדים קומפקטיים אלה כוללים תצוגה מובנית על צלוחית בפס-הבדיקה: הבדיקה מבוצעת על-ידי הוצאת פס הבדיקה מהצלוחית והכנסתו לחלק העליון של המודד. כאשר פסי הבדיקה אוזלים, משליחים את כל היחידה.
טכנולוגיית מסך-מגע
בפיתוח אחר, מיקרו-בקרים זולים הופכים את המכשור הרפואי ליותר ידידותי על-ידי שילוב של ADC 10-ביט המתממשק עם תצוגת מסך-מגע התנגדותית. תצוגות אלה לא רק משפרות את נוחות השימוש של המכשיר, הן גם מבטלות את המקלדות המיוחדות וגורמי הכוונה אחרים. תצוגת מסך-מגע יכולה לאפשר למדי גלוקוזה בדם או מדי-לקטט להציג מסרים אינטר-אקטיביים המראים מהו אחוז הקריאות בתוך תחום המטרה, תוך ביסוס על תדר הגבוהים והנמוכים.
