Onsemi: La technologie à ultra-basse consommation transforme la surveillance du glucose avec les dispositifs médicaux portatifs
À l’échelle mondiale, nous vivons en moyenne plus longtemps. Grâce à un meilleur accès à de meilleurs soins de santé, l’espérance de vie mondiale a augmenté de plus de six ans entre 2000 et 2019, pour atteindre 73,4 ans.
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Le frontal analogique (AFE) du CEM102.
Selon l’Organisation mondiale de la santé (OMS), la proportion de la population mondiale âgée de plus de 60 ans aura presque doublé entre 2015 et 2050, passant de 12 % à 22 %.
Avec l’allongement de la durée de vie, nous avons besoin de services de santé efficaces et abordables. L’un des grands domaines dans lequel cette technologie peut être utile est celui des dispositifs médicaux portatifs, où les progrès en matière de fonctionnement à ultra-basse consommation sont à l’origine d’une croissance rapide. L’efficacité énergétique révolutionne les dispositifs médicaux portatifs, permettant à des appareils compacts de fonctionner pendant de longues périodes entre les recharges ou le remplacement des piles.
Dans le domaine de la santé, les principales exigences en matière d’appareils portatifs sont la capacité à fournir des données de précision et de haute qualité avec une surveillance en continu, afin de fournir en temps réel des informations exploitables sur l’état de santé d’un individu. Les dispositifs portatifs doivent être petits, légers, faciles à utiliser et suffisamment sécurisés pour protéger les données sensibles contre tout accès non autorisé.
Dans cet article, nous verrons, en prenant l’exemple de la surveillance du diabète, comment la technologie à ultra-basse consommation peut être utilisée pour créer des dispositifs médicaux portatifs de pointe. Nous examinerons les solutions CEM102 et RSL15 d’onsemi, qui intègrent la technologie Bluetooth® Low Energy (Bluetooth LE) et des capacités de surveillance du glucose en continu (CGM).
Surveillance continue pour le diabète
Il existe diverses maladies et affections chroniques pour lesquelles les patients peuvent tirer parti de dispositifs portatifs, mais l’une des plus courantes est le diabète. Rien qu’aux États-Unis, 38 millions de personnes sont diabétiques, et le prédiabète touche 98 millions d’Américains supplémentaires .
Le diabète peut entraîner de graves complications pour la santé, et un suivi efficace est essentiel pour le gérer en toute sécurité. Traditionnellement, la mesure de la glycémie s’effectue à l’aide d’un lecteur de glycémie (BGM), avec un bâtonnet pour le prélèvement d’un échantillon de sang et la mesure du niveau de glucose à ce moment.
Les personnes atteintes de diabète utilisent actuellement des systèmes de surveillance du glucose en continu, qui sont plus pratiques et fournissent un retour d’information immédiat à partir de données collectées en permanence plutôt qu’à intervalles irréguliers. Grâce à la mesure en continu, nous pouvons en savoir plus sur l’évolution de la glycémie d’une personne au cours de la journée et sur la façon dont elle réagit à son régime alimentaire et à son degré d’activité.
La CGM est devenue de plus en plus fiable. Il a été démontré qu’elle peut contribuer à réduire les taux d’A1C (glycémie) et l’hypoglycémie, et à augmenter le temps passé par une personne dans sa plage de glycémie cible .
Le système CGM mesure généralement le taux de glucose dans le liquide interstitiel d’une personne (situé entre les capillaires sanguins et les cellules) à l’aide d’un capteur électrochimique. Dans ce type de capteur, des particules de la substance testée rencontrent une « électrode de travail » (WE) et une réaction électrochimique se produit. La perte ou le gain d’électrons dans cette réaction entraîne un flux de courant qui peut être mesuré.
Étant donné qu’il se trouve en permanence sur la personne, le système CGM doit être aussi compact et léger que possible. Pour ce faire, il est souvent alimenté par une pile bouton. Le système CGM doit également avoir un intervalle de recharge aussi long que possible. Cela signifie que les composants semi-conducteurs de l’appareil doivent être de petite taille et consommer peu.
Pour répondre à ces exigences, un système CGM comprend généralement un composant frontal analogique (AFE), qui intègre les fonctions A/N et N/A et les fonctions d’entrée/sortie requises. Outre l’AFE, le système CGM comprend également un microcontrôleur (MCU) doté de capacités sans fil, telles que la technologie Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), qui peut communiquer avec le smartphone de l’utilisateur ou avec un contrôleur externe dédié, comme le montre ce schéma fonctionnel interactif.
Solution CGM compacte et à faible consommation
Examinons un exemple de solution développée pour la CGM, basée sur le capteur électrochimique AFE CEM102 et son microcontrôleur sans fil RSL15 doté de la technologie Bluetooth® 5.2 d’onsemi.
Le CEM102 est un AFE qui permet une détection électrochimique d’une précision excellente à des courants très faibles. Cela est important pour mesurer avec précision les courants beaucoup plus faibles générés par les dernières générations de capteurs physiquement compacts.
Outre son utilisation dans des dispositifs médicaux portatifs tels que le système CGM, le CEM102 est idéal, grâce à son petit format et à sa faible consommation d’énergie, pour les applications nécessitant la mesure de courants très faibles, telles que la détection de gaz, la transformation des aliments ou la surveillance agricole.
Le CEM102 est conçu pour être utilisé avec le MCU sans fil RSL15 d’onsemi, le MCU Bluetooth LE avec la plus faible consommation dans l’industrie, apportant plusieurs avantages supplémentaires au niveau du système, tels que le fonctionnement à une consommation d’énergie et une tension d’alimentation optimisées.
Le système peut fonctionner sur une large plage de tension d’alimentation (de 1,3 à 3,6 V), en utilisant typiquement une seule pile à l’oxyde d’argent de 1,5 V ou une pile bouton de 3 V. Le CEM102 ne consomme que 50 nA en mode désactivé, 2 µA en mode basé sur le capteur et 3,5 µA en mode de mesure active avec le CAN 18 bits à conversion en continu. Cela lui permet de fonctionner pendant 14 jours avec une pile de 3 mAh seulement, ou pendant plusieurs années avec des piles de plus grande taille.
Le RSL15 est un MCU à très faible consommation, basé sur un processeur Arm® Cortex®-M33, et prenant en charge le Bluetooth 5.2. Il comprend une gestion de l’énergie intégrée, un système de GPIO et d’horloge flexible, ainsi qu’un ensemble étendu de périphériques afin de maximiser la flexibilité de conception pour les applications à haute performance et à ultra-basse consommation. Le RSL15 comprend 80 Ko de RAM et est disponible en option avec 284 Ko ou 512 Ko de Flash.
Les deux dispositifs sont compacts : le CEM102 présente un faible encombrement de 1,88 mm x 1,84 mm, tandis que le RSL15 est disponible dans un boîtier QFN40 ou WLCSP40.
Par rapport à d’autres offres, cette solution fournit une plus grande précision, une réduction du bruit et la plus faible consommation d’énergie dans l’industrie pour les communications sans fil. Elle permet également de simplifier la nomenclature produit (BOM), de faciliter l’étalonnage et de réduire la complexité de fabrication.
Pour accélérer le développement du système et du micrologiciel, onsemi propose une carte d’évaluation et de développement (EVB) CEM102. En plus du CEM102, cette carte comprend le RSL15. Un exemple de code pour configurer et effectuer des mesures est disponible pour les deux appareils, complété par des applications pour les téléphones et tablettes iOS et Android.
VIDÉO : Découvrez le CEM102 et le RSL15
Conclusion : Les dispositifs portatifs transforment les soins de santé
Utilisés ensemble, le CEM102 et le RSL15 permettent à un capteur électrochimique de mesurer avec précision le courant tout en fonctionnant avec une très faible consommation et une large plage de tension d’alimentation. Cela permet à un système CGM de calculer le taux de glucose, puis d’envoyer les données via la technologie Bluetooth LE à un système connecté au cloud pour analyse, stockage et action.
L’intégration aisée du matériel et logiciel de ces deux composants, ainsi que leur taille compacte et leur efficacité énergétique, confèrent au système CGM son petit format et sa discrétion. Sa très faible consommation d’énergie lui assure une durée de fonctionnement prolongée entre deux charges ou avant le remplacement des piles : jusqu’à plusieurs années dans la pratique.
En résumé, la solution CEM102/RSL15 répond aux principales exigences des appareils portatifs de santé que nous avons identifiées précédemment :
- Surveillance continue : le courant système extrêmement faible de 3,5 µA avec conversion du capteur permet des échantillonnages fréquents
- Qualité et précision des données : détection de haute précision du CEM102 avec CAN 18 bits
- Commodité (petit et léger) : une compacité et une consommation d’énergie la plus faible dans l’industrie permettent une miniaturisation et une longue durée de fonctionnement
- Confidentialité et sécurité : le service cryptographique intégré RSL15 accéléré par le matériel protège les données collectées des patients.
La surveillance du glucose est un exemple d’application, mais il existe d’innombrables utilisations de composants compacts et à faible consommation dans les dispositifs médicaux portatifs, notamment la surveillance de valeurs telles que la fréquence cardiaque, le mouvement, la température, l’impédance de la peau et l’administration régulière d’insuline et autres médicaments. La disponibilité continue des données et la capacité de réagir en temps réel entraînent le développement de nouvelles applications pour les dispositifs portatifs utilisant un retour d’information continu et en boucle fermée pour aller au-delà de nos systèmes actuels. Par exemple, le système CGM et l’administration d’insuline peuvent fonctionner ensemble pour fournir un « pancréas artificiel ».
Schéma fonctionnel d’un pancréas artificiel.
En fournissant des fonctions pratiques et fiables, la génération actuelle d’appareils portatifs a le potentiel de transformer les soins de santé pour des millions de personnes dans le monde. À mesure que l’efficacité énergétique s’améliore et que les dispositifs à semi-conducteurs deviennent plus petits et plus complets, les possibilités d’évolution sont considérables.
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