Le soluzioni per l'ottimizzazione della durata della batteria dei dispositivi IoT, gli analizzatori di forma d'onda della corrente del dispositivo e il software di analisi della potenza basato su eventi possono agevolare i progettisti di dispositivi medici fornendo vantaggi significativi a pazienti e professionisti del settore medico.
Le malattie cardiache continuano a essere un grave problema di salute. I Centri statunitensi per il controllo e la prevenzione delle malattie riferiscono che è stata la prima causa di morte nel 2019. In molti casi, le malattie cardiache possono essere trattate modificando lo stile di vita come la dieta e l'esercizio fisico; in altri casi, gli approcci farmacologici sono utili.
Inoltre, la tendenza di crescita dei dispositivi medici impiantati coinvolge i pazienti con malattie cardiovascolari. Molte persone usano pacemaker per mantenere i ritmi cardiaci. I pazienti con fibrillazione atriale e flutter possono trarre beneficio da un defibrillatore cardioverter impiantato (ICD, implanted cardioverter defibrillator). Sia i pacemaker che gli ICD funzionano a batteria e una batteria scarica può essere pericolosa per il paziente. Fortunatamente, la maggior parte dei pacemaker e degli ICD moderni hanno avvisi di batteria scarica che consentono al paziente di pianificare un intervento chirurgico sostitutivo prima dell'effettivo guasto della batteria.
Costi delle batterie guaste
Una batteria scarica può fare la differenza tra la vita e la morte, quindi una sostituzione tempestiva del dispositivo è fondamentale. In una procedura ambulatoriale, ci sono molti costi da considerare, compreso il costo del chirurgo, della sala operatoria e dell'attrezzatura, degli infermieri, dell'anestesista e dell’anestesia, della stanza d'ospedale e delle cure e forniture di follow-up.
Oltre al costo, c'è il rischio per i pazienti, molti dei quali sono anziani e spesso possono avere altri fattori di rischio per la salute. Anche in pazienti relativamente sani c'è sempre il rischio di infezione e altre complicazioni. La lunga durata della batteria avvantaggia pazienti e medici e riduce anche il rischio di conseguenze legali e normative per il produttore del dispositivo. Pertanto, i produttori di dispositivi medici devono prestare molta attenzione per garantire una lunga durata della batteria.
Strumenti di misurazione della corrente
Per garantire una lunga durata della batteria per i dispositivi medici, la progettazione e la validazione possono scegliere tra molti strumenti hardware che misurano la corrente. Uno degli strumenti più comuni è il multimetro digitale (DMM), che si trova sul banco di quasi tutti gli ingegneri che si occupano di hardware. Il multimetro digitale è utile per misurare i livelli di corrente bassa in modo molto accurato ed è anche un buono strumento di misura per uso generale per tensione, resistenza, diodi e altro. Uno svantaggio del multimetro digitale è che gli manca la larghezza di banda per catturare con precisione i transitori veloci. Inoltre, potrebbe non avere un range dinamico sufficiente per acquisire le transizioni tra le modalità sleep a bassa corrente e le modalità attive a corrente relativamente elevata.
L'analizzatore di potenza CC (DC power analyzer) è più costoso e meno comune del multimetro digitale, ma ha una larghezza di banda significativamente migliore. In quanto prodotto modulare, è più flessibile del DMM e alcuni dei suoi moduli includono unità di misura della sorgente (SMU) con un range continuo in grado di misurare le modalità di sleep e attive senza i problemi associati ai cambiamenti di range.
L'oscilloscopio è un altro strumento comunemente disponibile e, con sonde di corrente appositamente costruite, può fornire misure di corrente molto buone. Manca delle capacità di misura della sorgente e di carico elettronico di un analizzatore di potenza CC, ma ha una larghezza di banda molto più elevata e maggiori capacità di trigger.
L'analizzatore di forme d'onda di corrente dei dispositivi (device current waveform analyzer) si trova nella fascia alta dei dispositivi di misura. Ha una interfaccia simile a un oscilloscopio, una larghezza di banda di misura della corrente elevata e un'eccellente precisione per la misurazione delle correnti basse.
Trasformare le misurazioni in intuizioni
Sebbene tutti gli strumenti sopra elencati possano raccogliere con precisione grandi quantità di dati, i dati da soli non sono sufficienti a fornire le informazioni necessarie agli ingegneri per ottimizzare i loro progetti. Tutti questi dati devono essere rapidamente analizzati da firmware e software sofisticati che producano statistiche ingegneristiche e grafici chiari per rivelare informazioni importanti a colpo d'occhio.
Anche il software di registrazione dei dati è uno strumento importante. I dispositivi medici impiantati e indossabili hanno spesso comportamenti che variano ampiamente a seconda della gravità delle condizioni del paziente e dell'ambiente all'interno del corpo. Per i dispositivi che comunicano tramite segnali RF, anche le condizioni elettromagnetiche all'esterno del paziente possono portare a un consumo eccessivo di carica, poiché i dispositivi che affrontano difficili sfide di coesistenza RF possono dover effettuare più tentativi per garantire che i dati vengano trasmessi correttamente.
Dopo aver raccolto una grande quantità di dati tramite logging, è possibile utilizzare tali informazioni per qualcosa di più dell'analisi del consumo della batteria. Ad esempio, alcuni software possono utilizzare tecniche di intelligenza artificiale per analizzare enormi quantità di dati e trovare anomalie nelle forme d'onda della corrente del dispositivo. O, come mostrato in figura, il segmento tra i contrassegni rossi nella parte inferiore delle due forme d'onda di corrente mostrate di seguito è molto diverso dal normale comportamento del dispositivo. Questo potrebbe indicare un difetto intermittente nell'hardware: potrebbe essere un bug del firmware o potrebbe essere causato da malware, come un trojan in agguato nel dispositivo.
Un altro tipo di software che aiuta a comprendere il comportamento dei dispositivi è il software di analisi della potenza basato sugli eventi. Questo software fa parte di una soluzione di ottimizzazione della durata della batteria del dispositivo IoT e correla il consumo di carica con gli eventi RF e CC. Quindi analizza tali informazioni per stimare la durata della batteria e identificare gli eventi chiave in un dispositivo che consumano grandi quantità di tempo e carica della batteria. Ad esempio, l'immagine seguente mostra le forme d'onda della corrente del dispositivo (giallo), la potenza RF (verde) e la tensione di alimentazione del LED (blu). Mostra anche tre serie di risultati nella parte inferiore: funzioni di distribuzione cumulativa complementari (CCDF, complementary cumulative distribution functions) a sinistra, statistiche di stima della durata della batteria al centro e grafici a barre del tempo occupato e del consumo di carica a destra.
Vantaggi specifici per gli ingegneri dei dispositivi medici
Naturalmente, i vantaggi degli strumenti hardware e software sopra descritti si applicherebbero a qualsiasi dispositivo IoT alimentato a batteria. Tuttavia, per i progettisti di dispositivi medici, questi strumenti possono anche fornire dati e grafici che possono essere inclusi come documentazione nel sistema di gestione della qualità (SGQ) di un produttore. Possono inoltre fornire informazioni critiche utili per ridurre i rischi per il paziente e per i sanitari che si affidano a una lunga durata della batteria per mitigare la necessità di interventi chirurgici di sostituzione del dispositivo.
