Ngành y tế hiện đại ngày càng đạt được những tiến bộ đáng chú ý. Có được như vậy là dựa trên sự phát triển ngày càng nhanh của các thiết bị Internet Vạn Vật (IoT) trong ngành y tế. Những năm gần đây, các thiết bị như máy điều hòa nhịp tim, máy khử rung tim và các thiết bị y tế cấy ghép khác đang ngày một nhỏ hơn và thông minh hơn. Theo dõi các thông tin sinh trắc học như nhịp tim của bệnh nhân (HR), huyết áp (Bp), lượng đường/glucose trong máu (BS/BD) và độ bão hòa oxy trong máu (SpO2). Dữ liệu thu thập được gửi qua internet bằng công nghệ BLE (Bluetooth ™ Năng lượng thấp), WiFi hoặc qua một số giao thức truyền thông không dây khác, cung cấp cho bác sĩ thông tin chẩn đoán thời gian thực.
Trong khi các thiết bị y tế mang lại nhiều lợi ích cho cả bệnh nhân và bác sĩ, thì các kỹ sư nghiên cứu lại gặp không ít các khó khăn khi thiết kế ra chúng. Một nhóm nghiên cứu và phát triển của một công ty điện tử y tế đa quốc gia lớn gần đây đã nhận thấy độ phức tạp của việc phát triển một thiết bị y tế thông minh cấy ghép. Họ đã phải vật lộn để cân bằng giữa việc thiết kế ra một thiết bị chất lượng, đáng tin cậy với thời lượng pin dài nhưng trong khoảng thời gian ngắn. Sử dụng Máy phân tích dạng sóng (Waveform Analyzer) Series CX3300 của Keysight Technologies, nhóm kỹ sư đã có thể tối ưu hóa tuổi thọ pin cho thiết bị, phát hiện các lỗi chưa được phát hiện trước đó và đẩy nhanh đánh giá thiết bị.
Các vấn đề đặt ra khi phát triển thiết bị y tế thông minh
Có rất nhiều vấn đề khác nhau gây khó khăn cho việc phát triển một thiết bị y tế thông minh. Cụ thể là:
1. Cần giảm thời gian đánh giá và thiết kế thiết bị để đảm bảo nhanh chóng đưa các sản phẩm mới ra thị trường. Bất kỳ thiết bị y tế nào cũng bắt buộc phải có chứng nhận sử dụng. Mà chứng nhận thiết bị lại cần thông qua dữ liệu đánh giá. Trong khi việc thu thập và phân tích hiệu quả dữ liệu đánh giá là rất khó, thì việc xác định các vấn đề tiềm ẩn trên thiết bị trước khi vận chuyển cũng rất quan trọng. Nếu không có dữ liệu chính xác, lặp lại hoặc được đánh giá đầy đủ, các lỗi nghiêm trọng trên thiết bị có thể bị ngó lơ. Trong một thiết bị y tế, một khiếm khuyết có thể tác động tiêu cực đến kết quả của bệnh nhân. Trong trường hợp xấu nhất, nó thậm chí có thể dẫn đến tử vong.
2. Cần giảm mức tiêu thụ điện năng để giảm chu kỳ thay pin cho thiết bị. Đối với các thiết bị y tế cấy ghép chạy pin, cần phải phẫu thuật để thay pin. Đó là lý do chính khiến các kỹ sư phải tối ưu hóa tuổi thọ pin cho thiết bị của họ. Sử dụng phần mềm quản lý điện năng thông minh để chuyển đổi giữa các chế độ ngủ có thể giảm mức tiêu thụ điện năng, nhưng khi thêm phần mềm này vào thiết bị y tế thì lại cần đánh giá và xác minh thêm để đảm bảo phần mềm hoạt động như mong đợi.
Việc thu thập, phân tích đầy đủ dữ liệu đánh giá và giảm mức tiêu thụ điện năng của thiết bị là những mục tiêu thường đi ngược lại với nhu cầu của kỹ sư để nhanh chóng đưa các thiết bị y tế mới ra thị trường. Để hoàn thành các công việc này cần phải đo chính xác và chuyên sâu về dạng sóng dòng của thiết bị.
Khó khăn khi phân tích dòng điện thiết bị y tế
Trong đo dạng sóng dòng điện thông thường, người ta thường sử dụng máy hiện sóng và đầu dò dòng điện hoặc đầu dò vi sai có điện trở shunt. Tuy nhiên, nhiễu phát ra từ thiết bị thử nghiệm có thể ảnh hưởng tiêu cực đến độ chính xác và độ lặp lại cần thiết của phép đo để đánh giá thiết bị y tế. Một vấn đề nữa là thiết bị đo có độ chính xác cao, độ nhiễu thấp thường có băng thông quá hẹp. Kết quả là, dòng đột ngột hoặc dòng khởi động khiến thiết bị bị hỏng có thể dễ dàng diễn ra mà không bị phát hiện.
Một vấn đề khác các kỹ sư phải đối mặt, đặc biệt là khi xác định phần mềm quản lý điện năng thông minh của thiết bị y tế trong quá trình hoạt động, là cần phải đo dạng sóng dòng từ chế độ dòng ngủ thấp (<1 mA) sang chế độ hoạt động dòng cao mà không bỏ lỡ bất kỳ tín hiệu nào.
Các vấn đề phức tạp với phép đo dạng sóng dòng truyền thống là:
- Không hiệu quả. Thiết bị thử nghiệm thường thiếu dải động rộng, buộc các kỹ sư phải đo lại bằng cách chuyển đổi giữa các điện trở shunt cho các dải đo khác nhau. Việc kiểm tra phần mềm trở thành một chuỗi các hoạt động và xác suất phát sinh các vấn đề thiếu sót trong khi kiểm tra là rất cao.
- Mất thời gian. Công đoạn xử lý dữ liệu - như giảm nhiễu hoặc kết hợp dữ liệu từ nhiều thiết bị - là bắt buộc. Tuy nhiên, chỉ riêng các quy trình này có thể mất vài giờ hoặc vài ngày để hoàn thành. Đối với việc chứng nhận thiết bị y tế, yêu cầu dữ liệu đo lường và phân tích phải toàn diện, và khó nhất là giảm thời gian đánh giá.
Để giải đáp những vấn đề này, nhóm R&D đã sử dụng máy phân tích dạng sóng dòng điện CX3300 của Keysight (Hình 1). Đây là thiết bị phân tích có dải động rộng, độ phân giải lên đến 16-bit, cho phép dễ dàng chụp dòng động của thiết bị - từ chế độ ngủ sang chế độ hoạt động. Máy phân tích có thể đo nhiễu thấp, phát hiện được cả những các tín hiệu nhỏ. Trong khi một phép đo dòng điện băng thông rộng lên đến 200 MHz, có thể bắt chính xác các xung đột ngột và dòng khởi động gây lỗi mạch, thì bộ nhớ với độ sâu mở rộng lên đến 256 Mpts/kênh có thể chụp các dạng sóng bị lỗi khó nắm bắt. Tất cả các tính năng chỉ trong một thiết bị như vậy giúp đo lường, phân tích cấu hình dòng điện hiệu quả và chính xác.
Hình 1: Máy phân tích dạng sóng CX3300 mô tả, xác định và gỡ lỗi các thiết bị y tế.
Để xác định hoạt động của thiết bị y tế cấy ghép của mình, nhóm R&D đã sử dụng rất nhiều thiết bị và điện trở shunt trong phạm vi dòng hoạt động. Sau đó, nhóm tóm tắt các kết quả đo thành một dạng sóng hoạt động trong giai đoạn hậu xử lý.
Bằng cách sử dụng máy phân tích CX3300, nhóm đã nhanh chóng nắm bắt các dạng sóng dòng điện cần thiết và tạo dữ liệu mô phỏng bằng cách sử dụng phần mềm tạo cấu hình dòng điện tự động của Keysight. Điều này rút ngắn đáng kể thời gian đánh giá chứng nhận thiết bị. Đồng thời cho phép nhóm kỹ sư xác định, giải quyết lỗi trong phần mềm điều khiển nhanh chóng và dễ dàng.
CX3300 - Giải pháp cho tương lai
Sử dụng máy phân tích CX3300 của Keysight, nhóm nghiên cứu đã xác định, mô tả, gỡ lỗi nhanh chóng và chính xác một thiết bị y tế thông minh cấy ghép, hiệu quả đạt được là giảm thời gian đánh giá chứng nhận xuống 50%. Nhóm cũng nhanh chóng xác định vị trí và giải quyết các lỗi phần mềm gây ra các vấn đề về quản lý điện năng chưa được phát hiện trước đó trong thiết kế. Công ty điện tử y tế hiện đã có một giải pháp để nắm bắt các dạng sóng chính xác một cách dễ dàng và hiệu quả, đồng thời giảm thời gian phân tích dữ liệu, mang lại lợi thế về thời gian cho thị trường thiết bị y tế cạnh tranh cao.
