고급 아날로그 프런트-엔드 및 보안을 사용하여 의료 현장 진료에 AI의 이점 적용

인공 지능(AI)은 이미 환자 검사 및 임상시험 데이터에서 추가적인 인사이트를 추출하여 진단을 개선하고 예측 및 추세 분석을 향상시키고 있습니다. 다음 단계는 실험실에서 의사 진료실, 진료소 또는 가정으로 AI 중심 의료 검사 및 샘플 분석을 옮기는 것입니다. 이러한 현장 진료(PoC) 접근 방식을 통해 질병을 신속하게 평가하고, 환자의 부담을 줄이며, 더 자주 검사를 수행하여 보다 세밀한 데이터를 제공하고 의심스러운 추세를 보다 빨리 식별할 수 있습니다.

AI 중심의 PoC 구현에는 필요한 데이터 취득 측정을 위해 다양한 바이오센서와 인터페이스하는 고급 아날로그 프런트 엔드(AFE)를 갖춘 다목적 응용 최적화 IC가 필요합니다. 이러한 IC는 정확도, 저전력, 고도의 통합 기능 등 정교한 전기화학, 생물학 및 관련 측정의 고유한 특성을 해결해야 합니다. 또한 데이터 프라이버시를 보장하기 위해 반드시 고급 보안 기술로 지원되어야 합니다.

이 기사에서는 PoC로의 전환과 그 설계적 의미를 살펴봅니다. 그런 다음, 널리 사용되는 AFE 측정 시나리오에 대해 설명하고, PoC 측정 및 보안 요구 사항을 충족하기 위해 Analog Devices에서 제공하는 예시 솔루션을 소개합니다.

지금 PoC로 전환해야 하는 이유

PoC 검사와 샘플 처리 증가를 유발하는 원동력 중 하나는 개인의 건강 증진을 위해 향상된 의료 진단에 대한 요구와 노화 및 질병에 대한 모집단 기반의 인사이트를 개발해야 하는 필요성이 커지고 있다는 점입니다. 규제에 따른 의무로 인해 더 많은 검사가 장려 및 심지어 요구되고 있으며, 이러한 검사는 더 낮은 비용으로, 검사 및 대기 시간을 단축하여 수행되어야 합니다. 또한 환자의 혼란과 비용을 최소화하기 위해 병원이나 가정에서 현지화된 PoC를 실시하는 추세이므로, 간단하지만 강력한 기기가 필요합니다.

동시에 AI는 이러한 데이터를 보다 심층적인 분석 및 예측에 사용할 수 있도록 급속도로 발전하고 있습니다.

이러한 요인들이 통합되어 의료 검사 데이터 획득 및 관리의 고유한 필요 사항에 최적화된 정교한 IC 기반의 회로망에 대한 요구 및 기회를 생성하고 있습니다. 이러한 IC는 환자의 체액과, 다양한 센서에서 나온 결과 데이터를 캡처, 기록, 평가 및 보고하는 데 필요한 시스템 간의 최전방 인터페이스입니다(그림 1).

그림 1: 아날로그 및 관련 전자 장치는 환자의 바이탈 사인 및 체액과 관련 PoC 계측 및 데이터 시스템 간에 중요한 인터페이스를 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices).

다양한 응용 제품 중심 IC로 과제 해결

다음과 같은 몇 가지 예시를 통해 이러한 상황을 명확하게 설명할 수 있습니다.

예시 #1: 맥박산소 측정법 및 심박동수 모니터:

혈중 산소 포화도(SpO₂) 및 심박수는 기본적이면서도 중요한 건강 측정 항목에 속합니다. 첫 번째 파라미터는 광학과 전자 기술이 PoC에 대한 기대치를 어떻게 변화시켰는지를 보여주는 가장 극적인 예입니다. 과거에는, SpO₂를 측정하는 유일한 방법은 간호사가 혈액 샘플을 채취해 실험실에 보내 테스트하는 것이었습니다.

이제는, 수십 년 전 정립된 전기 광학 기법을 사용하여 핑거팁 LED, 광 센서, 알고리즘을 통해 수 초 내에 신속한 DIY 측정을 제공할 수 있습니다. 추가된 이점으로, 동일한 LED 광 센서 구성은 심박수 정보도 제공합니다.

LED에 광 센서를 더한 시스템의 발전으로 인해 성능과 기능 측면에서도 한 층 더 개선이 이루어졌습니다. 송신 및 수신 채널을 갖춘 초저전력 광학 데이터 취득 시스템인 MAX86171(그림 2, 상단)과 같은 IC는 기능 및 사양을 기반으로 이러한 응용 제품에 맞춤화되어 있습니다. 내부적으로는 복잡하지만 응용 제품 하나에 필요한 이산 부품은 몇 개에 불과합니다(그림 2, 하단).

그림 2: MAX86171 다중 채널, 초저전력, 광학 데이터 취득 시스템(상단)은 높은 수준의 내부 통합을 활용하여 복잡한 외부 배선을 간소화하고 수동 소자 지원 부품의 필요성을 줄여줍니다(하단)(이미지 출처: Analog Devices).

송신기 측에서 MAX86171은 3개의 고전류 8비트 LED 구동기에 연결된 프로그래밍 가능한 9개의 LED 구동기 출력 핀을 갖추고 있습니다. 수신기 측에는 주변광 제거(ALC) 회로가 있는 두 개의 저잡음 전하 통합 프런트 엔드가 있어 고성능, 고집적, 광학 기반 데이터 취득 시스템을 구현합니다.

SpO₂ 및 심박수 데이터에 더해, 이 IC는 심박수 변동성, 신체 수화, 근육 및 조직 산소 포화도(SmO₂ 및 StO₂), 최대 산소 소비(VO₂ 최대)를 평가할 수 있습니다.

의료 응용 분야의 성능 지수와 우선 순위는 비의료 상황에서와는 다르다는 점에 유의하세요. 일반적으로 조명 레벨이 상대적으로 낮기 때문에 신호 대 잡음비(SNR)보다는 광학 프런트 엔드의 절대 잡음 플로어가 중요한 파라미터입니다.

생물학적 세계에서는 관심 파라미터가 수 킬로헤르츠의 속도로 변하지 않기 때문에 대역폭과 샘플링 속도가 매우 낮지만, 환자와 신호는 복잡하고 아날로그 방식이기 때문에 사양의 우선 순위가 달라져야 합니다. 여기에는 환자의 피부와 내부 장기가 계속 움직이며 접촉 면적과 힘이 미세하게 변화하는 비고정 환경에서 성공적으로 작동하는 데 필요한 고감도, 넓은 동적 범위, 낮은 잡음이 포함됩니다. 또한 다양한 유형의 간섭 잡음과 변형이 있는 경우에는 문제가 더욱 복잡해집니다.

응용 제품의 요구 사항을 충족하기 위해 MAX86171은 테스트 배열에 따라 91데시벨(dB) ~ 110데시벨(dB)의 동적 범위, 19.5비트 분해능, 50피코암페어(pA) 미만의 암전류 잡음(RMS), 120헤르츠(Hz)에서 70dB 이상의 주변광 제거 수치를 제공합니다.

예시 2: 전위차계, 전류계, 전압계 및 임피던스 측정:

전기 엔지니어는 다양한 표준 계측기 중에서 선택하여 전압, 전류 및 임피던스와 이들의 관계를 능숙하게 측정할 수 있습니다. 그러나 이러한 측정은 화학적 및 생물학적 환경에서 고유한 요구 사항과 제약이 있으며 각 환경에 따라 분명한 차이가 있는 시나리오를 제시합니다.

• 전위차 측정: 전위차계를 사용하여 두 전극 사이의 전기 전위를 측정하여 용액 내 물질의 농도를 측정합니다.
• 전류 측정: 전류 또는 전류의 변화를 기반으로 용액의 이온을 감지하기 위해 전류 측정 방식을 사용합니다.
• 전압 전류 측정: 특정 전압 프로파일을 시간에 따라 작동 전극에 적용하고, 일반적으로 전위차계를 통해 시스템에서 생성되는 전류를 측정합니다.
• 임피던스: 피부와 신체의 전압 및 전류 관계를 측정합니다.

이러한 파라미터를 평가하기 위해 AD5940은 3.6밀리미터(mm) × 4.2밀리미터(mm) 크기의 56볼 WLCSP로 광범위한 기능과 인터페이스 옵션을 제공합니다(그림 3). 이 저전력 AFE는 전류계, 전압계 또는 임피던스 측정과 같은 고정밀 전기 화학 기술이 필요한 휴대용 응용 제품을 위해 설계되었습니다.

그림 3: AD5940 AFE는 정밀한 저전력 전류계, 전압계 또는 임피던스 측정에 필요한 정교한 기능을 통합합니다(이미지 출처: Analog Devices).

AD5940에는 두 개의 여기 루프와 하나의 공통 측정 채널이 있습니다. 첫 번째 루프는 이중 출력 스트링, 디지털-아날로그 변환기(DAC), 저잡음 전위차계로 구성되며 0Hz ~ 200Hz의 신호를 생성할 수 있습니다.

DAC 출력 중 하나는 일정 전위기의 비반전 입력을 제어하고 다른 하나는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)의 비반전 입력을 제어합니다. 두 번째 루프는 최대 200kHz의 여기 신호를 생성할 수 있는 12비트 DAC로 구성됩니다.

입력 측에는 입력 버퍼, 안티앨리어스 필터, 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA)가 있는 16비트, 800kS/s의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 있습니다. 멀티플렉서는 외부 전류 및 전압 입력을 위한 입력 채널과 공급 전압, 다이 온도 및 레퍼런스 전압을 위한 내부 채널을 선택합니다.

전류 입력에는 다양한 센서 유형을 측정하기 위해 프로그래밍 가능한 이득 및 부하 저항기를 갖춘 두 개의 TIA가 포함되어 있습니다. 첫 번째 TIA는 저대역폭 신호를 측정하고, 두 번째 TIA는 최대 200kHz의 고대역폭 신호를 측정합니다.

이러한 수준의 통합과 다양한 기능을 제공하는 IC를 사용하면 IC를 뛰어넘는 평가 키트의 이점을 누릴 수 있습니다. AD5940의 경우 EVAL-AD5940BIOZ 심전도(ECG/EKG) 센서 Arduino 플랫폼 평가 확장 기판은 익숙한 개발 환경을 제공합니다(그림 4).

그림 4: EVAL-AD5940BIOZ 심전도(ECG/EKG) 센서 Arduino 플랫폼 평가 확장 기판을 사용하면, AD5490의 용도에 맞는 정밀하고 낮은 수준의 측정을 수행할 때 좀 더 쉽게 AD5490을 사용하여 평가할 수 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

각 AD5940 평가 기판은 특정 최종 응용 제품의 측정 목표를 달성하기 위한 기판입니다. Arduino와 유사한 이 기판은 SPI 주변 장치를 통해 AD5940을 구성하고 통신합니다. 초기 평가를 위해 그래프 및 데이터 캡처 기능을 갖춘 측정용 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 도구를 사용할 수 있습니다. 임베디드 C로 작성된 많은 예제 프로젝트에는 프로그래밍 환경을 설정하고 예제를 실행하는 방법에 대한 지침이 포함되어 있습니다.

예시 #3: 데이터 보안 및 인증:

안전이 보장되지 않은 다양한 위치에 저장되고 무선 근거리 무선 통신(NFC) 링크를 사용하여 전송되는 데이터는 데이터 보안, 진위성, 해킹 방지, 샘플 또는 카트리지의 재사용, 오용, 위조와 관련된 심각한 문제를 일으킵니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 MAX66250 보안 인증기(그림 5, 상단)는 저장된 모든 데이터를 암호화하여 노출되지 않도록 보호하는 강력한 대응책을 제공합니다. 이는 무단 액세스 위험이 더 높은 NFC 지원 임베디드 시스템(그림 5, 하단)과 호환됩니다.

그림 5: MAX66250 보안 인증기(상단)는 여러 수준의 고급 데이터 보안 및 인증을 지원하며 무선 데이터 전송을 위한 NFC 인터페이스(하단)도 통합되어 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

이 보안 인증기는 FIPS 202를 준수하는 보안 해시 알고리즘(SHA-3) 챌린지-응답 인증과 보안 EEPROM을 결합합니다. 이 장치는 SHA-3 엔진, 256비트 보안 사용자 EEPROM, 감소 전용 카운터, 고유 64비트 ROM 식별 번호(ROM ID) 등 통합 블록에서 파생된 암호화 도구의 핵심 세트를 제공합니다. 고유한 ROM ID는 암호화 작업을 위한 기본적인 입력 파라미터로 사용되며 응용 제품 내에서 전자 일련 번호로 사용됩니다. 이 장치는 ISO/IEC 15693을 준수하는 RF 인터페이스를 통해 통신합니다.

예시 #4: 동작/모터 제어:

많은 PoC 장치와 스테이션의 경우, 스테이션 간에 테스트 스트립 또는 테스트 튜브를 운반하거나, 시약을 결합 및 이송하거나, 정확한 양의 액체를 추가 또는 방출하고 피펫팅을 수행하기 위해 세심한 동작 제어가 요구됩니다. 이러한 응용 분야에서는 빠르고 정확하고 안정적이며 조용하고 재현 가능하며 에너지 효율적인 동작을 위해 정밀한 마이크로 스테핑과 부드러운 정지, 시작 및 램프 생성을 통해 고해상도 및 진동 없는 동작을 제공해야 하는 경우가 많습니다.

직렬 통신 인터페이스를 갖춘 Trinamic TMC5072-LA-T 단일/이중 채널 스테퍼 모터 컨트롤러 및 구동기 IC(그림 6, 상단)는 이러한 응용 분야에 적합합니다. 병렬 작동을 위해 배선된 경우, 모터당 1.1A/1.5A 피크와 모터당 2.2A/3A 피크의 코일 전류 구동 기능을 제공합니다.

기본 작동을 위해, 온보드 TMC5072가 포함되어 있는 컴패니언 TMC5072-BOB 평가 키트(그림 6, 하단)는 단일 전선 범용 비동기식 수신기/송신기(UART)를 사용하여 Arduino Mega에 연결됩니다. 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)는 파라미터를 쉽게 설정하고, 실시간으로 데이터를 시각화하며, 독립형 응용 시스템을 개발 및 디버깅할 수 있는 도구를 제공합니다.

그림 6: TMC5072-LA-T 단일/이중 채널 스테퍼 모터 컨트롤러 및 구동기 IC(상단)는 정밀한 성능과 원활한 작동을 제공하며, TMC5072-BOB 평가 키트(하단)에서 지원됩니다(이미지 출처: Analog Devices).

TMC5072는 자동 타겟 포지셔닝을 위한 유연한 램프 발생기를 결합하여 무소음 작동, 최대 효율, 높은 모터 토크를 제공합니다. 이 7mm × 7mm IC는 다음과 같은 기타 고급 기능을 제공합니다.

• StealthChop - 초저소음 작동과 부드러운 모션 지원
• SpreadCycle - 고가속 동적 모터 제어 초퍼
• DCStep - 부하에 따른 속도 제어
• StallGuard2 - 고정밀 센서리스 모터 부하 감지
• 최대 75%까지 에너지를 절감하기 위한 CoolStep 전류 제어

결론

여러 발전된 기술과의 결합을 통해 AI의 이점을 현지 의료용 PoC에 제공할 수 있는 잠재력을 갖게 되었습니다. 그러기 위해서는 고급 AFE 및 데이터 보안 블록 등 응용 제품에 초점을 둔 집적 IC가 필요합니다. Analog Devices는 기술, 의료 및 규제 요구 사항을 충족하는 이러한 응용 제품에 최적화된 다양한 고성능, 저전력 장치를 제공합니다.