Comment optimiser l'architecture des glucomètres

Explorez les principales considérations de conception et notre vaste offre de produits de fournisseurs pour les glucomètres.

Avec un nombre toujours croissant de segments de population plus âgés et des campagnes ciblées sur la sensibilisation à la prévention des maladies, les fabricants de glucomètres constatent des taux de croissance constants sur le marché. Les tendances croissantes en matière d'obésité et les avancées technologiques ont accéléré la prévalence des glucomètres ainsi que la couverture d'assurance pour maintenir des niveaux sains chez les patients, réduisant les risques et les hospitalisations.

Alors que les moniteurs peuvent prendre de nombreuses formes, y compris des solutions continues ou discrètes, tous reposent sur des frontaux basés sur des capteurs à semiconducteurs, des processeurs et une interface utilisateur de sortie. Sous l'une ou l'autre forme, les volumes annuels de moniteurs sont importants, un seul fabricant d'équipement d'origine (OEM) produisant près de 1 million d'unités par an. Depuis des années, le moniteur dominant a été une solution discrète d'autosurveillance ; cette solution présente des obstacles de mode de vie en termes de piqûres quotidiennes au doigt avec des lancettes, de prélèvements sanguins sur des bandelettes de test et de suivi des lectures du moniteur. Les moniteurs de glycémie en continu (CGM) offrent au patient une facilité d'utilisation significative, éliminant les étapes manuelles associées aux solutions discrètes d'autosurveillance. De plus, les CGM peuvent tirer parti des applications smartphone des fabricants pour offrir une interface simple à la fois pour le patient et le médecin, offrant dans de nombreux cas des options de télésanté sous forme de téléchargement de dossiers pour examen par le médecin. Quelle que soit l'architecture de la solution, l'objectif est de fournir à l'utilisateur/patient des lectures précises du taux de glucose pour prévenir les complications graves et/ou menaçant le pronostic vital pour les patients diabétiques.

Étant donné que les volumes sont élevés, les méthodes de conception précédentes soutenant plusieurs solutions à circuits intégrés ont rapidement perdu la faveur pour les solutions intégrées. Les solutions ciblées de semi-conducteurs d'aujourd'hui adoptent une approche système sur puce, éliminant autant de circuits et de composants externes que possible pour réduire le coût de la solution. Les glucomètres discrets utilisent des bandelettes de test électromécaniques avec des électrodes excitées par un convertisseur numérique-analogique produisant un courant mesuré proportionnel au glucose dans le sang. Ce courant proportionnel est ensuite passé à travers un amplificateur de transimpédance, produisant une tension qui est échantillonnée par un convertisseur analogique-numérique et traitée en une lecture dépendante de la température pour l'utilisateur/patient. Comme mentionné, les dispositifs système sur puce intègrent ces blocs analogiques et traitement en un seul dispositif. Les architectures système alternatives peuvent utiliser un front-end analogique intégré qui transmet les lectures conditionnées à un microcontrôleur qui peut intégrer des fonctionnalités supplémentaires, y compris Bluetooth Low Energy. Les glucomètres en continu utilisent une architecture de circuit intégré spécifique à une application (ASIC) composée d'un MCU, d'un front-end analogique et d'un émetteur BLE.

Caractéristiques

Diagramme de bloc système

Le diagramme fonctionnel met en évidence les principaux blocs d'architecture qui préoccupent le concepteur. Décider d'une solution implique généralement des niveaux d'intégration tels qu'une approche système-sur-puce par rapport aux CI traditionnels, des facteurs de coût et la taille globale du point de vue de la conception industrielle. Ces blocs d'architecture incluent un bloc d'entrée pour l'insertion de la bandelette de test suivi par le front-end analogique, responsable du conditionnement du signal électrique provenant de la bandelette de test. La sortie du front-end analogique est transmise à un bloc microcontrôleur ou SoC pour le traitement du signal et la conversion en une lecture de glucose pouvant être affichée sur l'écran de l'utilisateur ainsi que communiquée via Bluetooth. Plusieurs blocs de mémoire peuvent exister pour les données d'étalonnage ainsi que les données utilisateur, tous les blocs étant alimentés par une batterie et des circuits associés de charge et de jaugeage de gaz.

Avantages du système

Comme discuté, plusieurs implémentations d'architecture peuvent offrir des solutions au schéma bloc présenté en tirant parti de solutions intégrées, réduisant ainsi les coûts globaux des composants et économisant de l'espace. Ces optimisations se traduisent également par des réalisations allégées et des batteries de plus petite taille ou une plus grande longévité avec une batterie de même taille, offrant une meilleure expérience utilisateur.

Une telle solution propose un front-end analogique pour supporter une solution de moniteur discret combinant DAC, TIA et ADC présentée au microcontrôleur système. Les avantages d'une approche modulaire permettent des mises à niveau faciles à mesure que la technologie des capteurs progresse. L'utilisation d'un front-end analogique intégré offre un haut niveau d'intégration, réduisant ainsi la complexité de l'espace global de la carte et optimisant la consommation d'énergie par rapport aux CI discrets.

La mesure de la température est également un paramètre critique pour les relevés de température ambiante près de la bandelette de test. Les précisions de mesure typiques sont de +/-1C à +/-2C. La mesure est généralement effectuée avec un capteur de température autonome IC ou via une thermistance à distance dans l'ADC du MCU.

Au cœur du moniteur se trouve un MCU utilisé pour contrôler et gérer le fonctionnement du moniteur de glucose. Le MCU fournit la puissance de traitement nécessaire pour effectuer le traitement du signal à partir du bloc frontal analogique, la gestion du stockage des données, et diverses interfaces d'E/S et de communication. Divers fabricants proposent des solutions MCU ciblées pour les applications de surveillance de la glycémie qui intègrent à un certain niveau les tâches d'une approche frontal-analogique. Celles-ci incluent des amplificateurs opérationnels embarqués et des convertisseurs analogique-numérique pour convertir les signaux analogiques provenant des électrodes de détection de glucose pour le traitement par le MCU. Cette approche offre une optimisation des coûts et des efficacités de taille.

La gestion de l'alimentation dans un glucomètre portable typique se présente sous la forme de batteries primaires ou secondaires associées à un indicateur de niveau de carburant pour le statut utilisateur sur l'écran, ainsi qu'à la communication de chargeur de batterie via des broches d'E/S de MCU. Les batteries rechargeables ou secondaires sont généralement des cellules uniques Li-ion connectées à un chargeur de batterie et un indicateur de niveau de carburant appropriés. La charge externe typique dans les moniteurs modernes se fait via USB. S'il y a une batterie amovible qui se charge dans une station d'accueil, une authentification peut être ajoutée pour garantir que seules des batteries autorisées sont utilisées conformément aux exigences du fabricant.

L'affichage et l'interface utilisateur comprennent généralement une solution à segments LCD ou à matrice de points graphiques. Bien que la matrice de points graphiques offre au développeur plus de flexibilité dans la création d'icônes personnalisées et d'informations d'affichage, ces affichages nécessitent de la mémoire supplémentaire, généralement ainsi que des tensions de polarisation et des pilotes s'ils ne sont pas intégrés au module LCD par le fabricant. Certains MCU ciblés pour le domaine des lecteurs de glycémie incluent la capacité de pilotage LCD sur le MCU, généralement pour les affichages basés sur des segments dans la plupart des cas.

En plus de l'interface LCD, que les patients pourraient avoir du mal à lire en fonction de leur âge et de leurs capacités visuelles, un indicateur sonore est généralement inclus sous la forme d'un buzzer et, dans certains cas, d'une assistance vocale pour guider le patient sans dépendance à l'affichage. Dans sa forme la plus simple, un buzzer peut être modulé en largeur d'impulsion via les broches d'E/S disponibles sur le MCU, limitant ainsi les coûts de circuit supplémentaires.

Des interfaces d'E/S et des interfaces de données étaient fournies à l'origine pour télécharger les résultats de tests vers un ordinateur. Les conceptions de moniteurs aujourd'hui tirent parti d'interfaces standard telles que USB et plus récemment des solutions sans fil Bluetooth. Bien qu'il existe des facteurs de coût supplémentaires en ajoutant ces normes aux glucomètres, diverses alliances de santé poussent l'industrie vers des moyens plus pratiques pour télécharger les données des patients à un prestataire de soins de santé.

Dans l'ensemble, les architectures système pour le circuit principal de la conception du moniteur sont utilisées comme un bloc de construction de sorte que lorsque qu'une autre caractéristique est nécessaire, une refonte complète n'est pas nécessaire, réduisant ainsi les risques, diminuant les approbations réglementaires et permettant un délai de mise sur le marché plus rapide pour le fabricant.