Wie man die Architektur eines Blutzuckermessgeräts optimiert

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Mit einer stetig wachsenden Anzahl älterer Bevölkerungsgruppen und gezielten Kampagnen zur Sensibilisierung für Krankheitsprävention verzeichnen Hersteller von Blutzuckermessgeräten konstante Wachstumsraten auf dem Markt. Steigende Fettleibigkeitstrends und technologische Fortschritte haben die Verbreitung von Messgeräten sowie die Versicherungskostenübernahme für Messgeräte beschleunigt, um gesunde Werte bei Patienten aufrechtzuerhalten, Risiken zu minimieren und Krankenhausaufenthalte zu reduzieren.

Monitore können viele Formen annehmen, einschließlich kontinuierlicher oder diskreter Lösungen, doch alle basieren auf Halbleiter-Sensor-Frontends, Prozessoren und einer Benutzeroberfläche für die Ausgabe. In beiden Formen sind die jährlichen Stückzahlen von Monitoren erheblich, wobei ein einzelner OEM fast 1 Million Einheiten pro Jahr produziert. Seit Jahren dominiert ein selbstüberwachendes, diskretes System als Monitorlösung; diese Lösung bringt Herausforderungen im Alltag mit sich, wie tägliche Fingerstiche mit Lanzetten, Blutentnahme auf Teststreifen und das Nachverfolgen von Monitorwerten. Kontinuierliche Glukosemonitore (CGM) bieten dem Patienten erheblichen Bedienungskomfort, indem sie die manuellen Schritte beseitigen, die mit diskreten Selbstüberwachungslösungen verbunden sind. Zusätzlich können CGM die Smartphone-Apps der Hersteller nutzen, um sowohl für den Patienten als auch für den Arzt eine einfache Benutzeroberfläche bereitzustellen und in vielen Fällen Tele-Gesundheitsoptionen wie Daten-Upload zur ärztlichen Überprüfung anzubieten. Beide Architekturlösungen konzentrieren sich darauf, dem Benutzer/Patienten genaue Blutzuckerwerte bereitzustellen, um schwere und/oder lebensbedrohliche Komplikationen für Diabetespatienten zu verhindern.

Da die Volumen hoch sind, haben frühere Design-Methodologien, die mehrere IC-Lösungen unterstützten, schnell zugunsten integrierter Lösungen an Beliebtheit verloren. Heutige spezialisierte Halbleiterlösungen verfolgen einen System-on-Chip-Ansatz, bei dem so viele externe Schaltungen und Komponenten wie möglich eliminiert werden, um die Lösungskosten zu senken. Diskrete Blutzuckermessgeräte verwenden elektromechanische Teststreifen mit Elektroden, die durch einen Digital-zu-Analog-Wandler angeregt werden, was einen gemessenen Strom erzeugt, der proportional zum Blutzucker ist. Dieser proportionale Strom wird dann durch einen Transimpedanzverstärker geleitet, der eine Spannung erzeugt, die von einem Analog-zu-Digital-Wandler abgetastet und in eine temperaturabhängige Messung für den Benutzer/Patienten verarbeitet wird. Wie erwähnt, integrieren die System-on-Chip-Geräte diese analogen Blöcke und die Verarbeitung in ein einzelnes Gerät. Alternative Systemarchitekturen können ein integriertes Analog-Front-End verwenden, das die konditionierten Messwerte an einen Mikrocontroller weiterleitet, der zusätzliche Funktionen, einschließlich Bluetooth Low Energy, integrieren kann. Kontinuierliche Blutzuckermessgeräte nutzen eine anwendungsspezifische Schaltkreisarchitektur (ASIC), die aus einem MCU, einem Analog-Front-End und einem BLE-Transmitter besteht.

Funktionen

System-Block-Diagramm

Das Blockdiagramm hebt die Hauptarchitekturblöcke hervor, die für den Designer von Interesse sind. Die Entscheidung für eine Lösung beinhaltet typischerweise Integrationsstufen wie einen System-on-Chip-Ansatz im Vergleich zu herkömmlichen ICs, Kostenfaktoren und die Gesamtgröße aus der Sicht des Industriedesigns. Diese Architekturblöcke umfassen einen Eingabeblock für das Einstecken des Teststreifens, gefolgt von der analogen Front-End-Einheit, die für die Signalkonditionierung des elektrischen Signals vom Teststreifen verantwortlich ist. Der Ausgang der analogen Front-End-Einheit wird an einen Mikrocontroller- oder SoC-Block weitergeleitet, um das Signal zu verarbeiten und in einen Glukosewert umzuwandeln, der sowohl auf dem Benutzerbildschirm angezeigt als auch über Bluetooth kommuniziert werden kann. Mehrere Speicherblöcke können für Kalibrierdaten sowie Benutzerdaten vorhanden sein, wobei alle Blöcke über eine Batterie und die damit verbundenen Lade- und Gaspegel-Schaltkreise mit Strom versorgt werden.

Systemvorteile

Wie besprochen, können mehrere Architekturimplementierungen Lösungen für das präsentierte Blockdiagramm bieten, indem integrierte Lösungen genutzt werden, die die Gesamtkosten der Komponenten reduzieren und Platz sparen. Diese Optimierungen führen auch zu gewichtsreduzierten Realisierungen und kleineren Batterien oder einer längeren Lebensdauer mit gleich großen Batterien, was ein besseres Benutzererlebnis bietet.

Eine solche Lösung bietet ein analoges Front-End zur Unterstützung einer diskreten Monitorlösung, die DAC, TIA und ADC kombiniert und dem System-Mikrocontroller präsentiert wird. Vorteile eines modularen Ansatzes ermöglichen einfache Upgrades, wenn sich die Sensortechnologie weiterentwickelt. Der Einsatz eines integrierten analogen Front-Ends bietet ein hohes Maß an Integration, wodurch die Komplexität im Gesamtplatinenplatz reduziert wird und der Energieverbrauch im Vergleich zu diskreten ICs optimiert wird.

Die Temperaturmessung ist ebenfalls ein kritischer Parameter für Ambienttemperaturmessungen in der Nähe des Teststreifens. Typische Messgenauigkeiten liegen bei +/-1°C bis +/-2°C. Die Messung erfolgt typischerweise mit einem eigenständigen Temperatursensor-IC oder über einen externen Thermistor in den ADC des MCU.

Im Kern des Monitors befindet sich ein MCU, das zur Steuerung und Verwaltung der Funktion des Glukosemonitors verwendet wird. Der MCU stellt die notwendige Rechenleistung bereit, um die Signalverarbeitung des Analog-Frontend-Blocks, das Datenmanagement und verschiedene Ein- und Ausgänge sowie Kommunikationsschnittstellen durchzuführen. Verschiedene Hersteller bieten MCU-Lösungen an, die auf Anwendungen zur Blutzuckermessung ausgerichtet sind und auf gewisse Weise die Aufgaben eines Analog-Frontend-Ansatzes integrieren. Dazu gehören integrierte Operationsverstärker und Analog-Digital-Wandler, um die analogen Signale der Glukosesensorelektroden in digitale Signale umzuwandeln, die vom MCU verarbeitet werden können. Diese Herangehensweise ermöglicht Kostenoptimierung und Größeneffizienz.

Das Energiemanagement in einem typischen tragbaren Blutzuckermessgerät erfolgt entweder durch Primär- oder Sekundärbatterien, die mit einem Kraftstoffmesser gekoppelt sind, um den Benutzerstatus auf dem Display anzuzeigen, sowie durch die Kommunikation des Batterieladegeräts über MCU-I/O-Pins. Wiederaufladbare oder Sekundärbatterien sind typischerweise Einzelzellen-Li-Ionen-Akkus, die mit dem entsprechenden Batterieladegerät und Kraftstoffmesser verbunden sind. Das typische externe Laden in modernen Messgeräten erfolgt über USB. Wenn es eine herausnehmbare Batterie gibt, die in einer Dockingstation geladen wird, kann eine Authentifizierung hinzugefügt werden, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Batterien gemäß den Anforderungen des Herstellers verwendet werden.

Das Display und die Benutzeroberfläche bestehen typischerweise aus einer LCD-Segment- oder Grafikpunktmatrixlösung. Während die Grafikpunktmatrix dem Entwickler mehr Flexibilität bei der Erstellung von benutzerdefinierten Symbolen und Anzeigedaten bietet, erfordern diese Displays zusätzlichen Speicher, in der Regel zusammen mit Vorspannungsspannungen und Treibern, falls diese nicht bereits im LCD-Modul des Herstellers integriert sind. Einige MCUs, die für den Einsatz in Blutzuckermessgeräten ausgelegt sind, verfügen über die Fähigkeit, LCD-Anzeigen anzusteuern, typischerweise für segmentbasierte Displays in den meisten Fällen.

Zusätzlich zur LCD-Schnittstelle, die von Patienten je nach Alter und Sehkraft möglicherweise schwer lesbar ist, wird typischerweise ein akustischer Indikator in Form eines Summers und in einigen Fällen eine Sprachunterstützung integriert, um den Patienten unabhängig von der Anzeige zu führen. In seiner einfachsten Form kann ein Summer über verfügbare I/O-Pins am MCU pulsweitenmoduliert werden, wodurch zusätzliche Schaltungskosten begrenzt werden.

E/A- und Datenschnittstellen wurden in den frühen Tagen bereitgestellt, um Testergebnisse auf einen Computer hochzuladen. Heutige Monitor-Designs nutzen Standard-Schnittstellen wie USB und in jüngerer Zeit drahtlose Bluetooth-Lösungen. Obwohl mit der Integration dieser Standards in Blutzuckermessgeräte zusätzliche Kosten verbunden sind, treiben verschiedene Gesundheitsallianzen die Branche dazu, bequemere Wege zu schaffen, um Patientendaten an einen Gesundheitsdienstleister hochzuladen.

Insgesamt werden Systemarchitekturen für die Kernschaltungen des Monitordesigns als Baustein verwendet, sodass bei Bedarf einer weiteren Funktion kein kompletter Neustart des Designs erforderlich ist. Dadurch wird das Risiko aufgehoben, regulatorische Genehmigungen reduziert und eine schnellere Markteinführung für den Hersteller ermöglicht.