Les dispositifs médicaux et la connectivité sans fil

Cet article traite du développement des dispositifs médicaux/santé sans fil de leurs considérations en matière de connectivité, des défis posés par leur création et de quelques réflexions.

Au cours des 50 dernières années, les dispositifs électroniques sont devenus des outils de plus en plus importants pour aider les professionnels de la santé à diagnostiquer et à traiter les maladies. Parmi les premiers exemples, on peut citer les différents types de scanners (CT, IRM) mis au point dans les années 70, qui ont permis de réaliser des percées dans le niveau de détail visible à l'intérieur du corps. 

Toutefois, ces premiers appareils étaient réservés aux grands hôpitaux, car ils étaient volumineux, coûteux et nécessitaient une maintenance complexe. Le développement ultérieur de la microélectronique a permis de créer une gamme très diversifiée de dispositifs médicaux personnels portables ou liés à la santé. La connectivité omniprésente émergente permet à ces dispositifs sans fil de communiquer avec l'informatique avancée dans le nuage et/ou avec les professionnels de la santé, ce qui accroît leur valeur.

Technologie portable

Les simples « trackers » de fitness ont été l'un des premiers exemples de dispositifs portables axés sur la santé. Même s'ils ne prétendaient pas avoir de valeur clinique, ils possédaient, du point de vue de la conception électronique, la plupart des caractéristiques classiques d'un dispositif médical portable.

Un tel dispositif est simple en termes de schéma électronique. Un petit microprocesseur est relié à divers capteurs et, souvent, une radio, soit séparée, soit intégrée au processeur, est présente pour transmettre les données. Le défi de la conception réside dans les domaines suivants :

• Concevoir l'agencement et l'emballage de l'appareil pour en faire un dispositif ergonomique et pratique.
• S'assurer que les capteurs lisent les données de manière fiable et traiter ces données pour fournir des informations utiles.
• Gérer la proximité du corps humain pour les dispositifs dotés d'une radio, tant du point de vue de la sécurité que de la fiabilité de la transmission des données. 
• Gérer la consommation d'énergie pour en faire un dispositif pratique. 

Technologies de « System in Package »

Les composants électroniques standard sont devenus progressivement plus petits au fil des ans. Néanmoins, la conception d'un dispositif portable pratique nécessite souvent des techniques avancées. La technologie « System in Package » (SiP) offre une approche par laquelle les semi-conducteurs, dans des boîtiers à l'échelle de la puce, peuvent être combinés avec des composants de plus petite taille afin de condenser des fonctions complexes dans un composant miniature. Un dispositif peut devoir être adapté à la partie du corps où il est destiné à être placé. Un exemple évident est le poignet, où un circuit imprimé peut devoir être séparé en différentes sections reliées par un type de circuit imprimé flexible. L'Apple Watch, par exemple, comprend plusieurs dispositifs SiP, sans lesquels elle ne pourrait pas atteindre sa forme attrayante.

Analyse des données

La valeur d'un dispositif médical réside en grande partie dans le traitement des données. Alors qu'un simple « tracker » de fitness peut fournir un rythme cardiaque précis, un appareil plus perfectionné peut être en mesure de détecter des problèmes de rythme cardiaque. Il est peu probable qu'un tel traitement puisse être effectué sur l'appareil lui-même en raison des ressources limitées disponibles. Dans ce cas, la connectivité est donc essentielle pour transférer les données vers un ordinateur plus puissant. Il peut s'agir simplement du téléphone portable de l'utilisateur ou, dans des cas plus complexes, de l'informatique en nuage. 

Alors que les dispositifs médicaux/santé simples sont des produits, un système plus avancé peut être vendu comme un service, où le matériel portable fait partie d'une solution impliquant une analyse et un rapport basés sur le nuage, ainsi qu'un suivi par un professionnel de la santé.

La technologie sans fil sur le corps

Tous les appareils, sauf les plus simples, exploitent la connectivité sans fil. Malheureusement, le corps humain n'est pas un endroit propice aux transmissions radio. Dans la bande des 2,4 GHz, il absorbe presque parfaitement les rayonnements. En espace libre, un signal Bluetooth Low Energy (BLE) peut avoir une portée d'environ 50 mètres. Cependant, si l'on place le signal près du corps et que l'on espère le transmettre à un téléphone situé de l'autre côté de la personne, on peut s'attendre à une portée de 1 m, voire moins. 

Cependant, plusieurs techniques de conception peuvent être appliquées pour améliorer les performances. Il est essentiel de commencer par un appareil très performant. L'emplacement de l'antenne est également crucial. Les simulations réalisées par Insight SiP ont montré que même un déplacement relativement faible (de l'ordre du millimètre) de l'antenne par rapport à la surface de la peau peut avoir un impact considérable sur les performances. Un autre aspect à prendre en compte est que le placement de l'antenne près du corps peut « désaccorder » l'antenne de sorte que la fréquence de crête est déplacée. Une solution vraiment optimale pourrait consister à concevoir une antenne personnalisée correspondant au positionnement de l'appareil. Il s'agit toutefois d'une tâche complexe et spécialisée. 

Ce qui compte, c'est que la portée et les performances soient suffisamment bonnes si les exigences consistent simplement à se connecter à un téléphone porté sur soi ou dans la même pièce alors le placement intelligent d'un appareil standard très performant devrait suffire.

Questions de sécurité

Il faut également tenir compte des réglementations relatives à la transmission sans fil à proximité du corps, connues sous le nom de SAR (Specific Absorption of Radiation). Les règles en la matière varient d'une région à l'autre. Dans l'Union européenne, la règle est qu'il y a un maximum de 2W/Kg, en moyenne sur les 10g de tissu ayant l'absorption la plus élevée de rayonnement. Aux États-Unis, la règle est plus stricte, avec une limite de 1,6 W/Kg, calculée en moyenne sur 1 g de tissu. Toutefois, il existe une exemption pour tout dispositif qui émet moins de 1mW en moyenne. 

Cette dernière exemption est particulièrement intéressante pour les dispositifs utilisant BLE, car l'un des avantages de BLE est que les dispositifs se mettent en veille lorsqu'ils n'émettent pas. La partie "en moyenne" de l'exemption devient donc importante car les appareils BLE n'émettent généralement qu'une fraction du temps. À 0dBm, la puissance de sortie n'est de toute façon que de 1mW, il n'y a donc pas de problème. À +8dBm, une valeur maximale typique pour les dispositifs BLE, la puissance de sortie est d'environ 6mW. Par conséquent, si l'appareil émet moins d'un sixième du temps, l'exemption de DAS sera respectée. Il est difficile d'imaginer un dispositif médical qui nécessiterait une transmission radio quasi permanente, puisque les données transmises sont généralement celles acquises par les capteurs de l'appareil lui-même. Le débit de 2 Mbps du BLE est plus que suffisant pour surveiller les changements dans le corps humain, étant donné que les changements dans les signes vitaux humains évoluent lentement. 

La situation peut être différente pour d'autres protocoles, en particulier ceux qui nécessitent une connexion permanente ou qui fonctionnent à des niveaux de puissance de sortie plus élevés.

Consommation d'énergie

La consommation d'énergie est un problème pour tout dispositif portable sans fil. Il a été démontré que la nécessité d'une recharge fréquente constitue un frein majeur à l'adoption des dispositifs sans fil. C'était d'ailleurs le problème initial du Bluetooth avant le BLE. Nous sommes peut-être prêts à recharger nos téléphones tous les jours, mais peu de gens souhaitent recharger plusieurs appareils. Pour optimiser la consommation d'énergie, il est important de suivre quelques principes de base :

• L'activité la plus gourmande en énergie est généralement la radio. Il est donc essentiel de minimiser les données à transmettre, éventuellement en les prétraitant, et de transmettre efficacement. 
• Gérer efficacement la connexion. Il y aura inévitablement des moments où l'autre extrémité de la connexion ne sera pas disponible ; les tentatives répétées pour se connecter à quelque chose qui n'existe pas seront inutiles.
• Utilisation intelligente du mode veille. La plupart des systèmes disposent de modes de veille à faible courant. Il est donc essentiel d'utiliser au mieux ces modes lorsqu'il n'y a pas d'activité.

Évolution future des dispositifs médicaux

La prochaine étape dans le domaine des dispositifs médicaux pourrait être une expansion significative des dispositifs implantables en réseau sans fil. Le vénérable stimulateur cardiaque est un dispositif implantable ancien, le premier ayant été posé en 1958. Cependant, il était conçu comme un dispositif autonome fonctionnant de manière indépendante. Plus récemment, la connectivité a été ajoutée aux stimulateurs cardiaques et à d'autres dispositifs implantables tels que les solutions de surveillance continue du glucose pour les patients diabétiques. 

Le problème est que tous les problèmes susmentionnés liés à la proximité du corps et à la consommation d'énergie sont encore amplifiés lorsqu'il s'agit d'obtenir un signal de l'intérieur du corps. Les solutions ont eu tendance à exiger qu'un récepteur ou un dispositif de relais soit placé à proximité de l'implant. Toutefois, les progrès technologiques - sensibilité accrue et dispositifs moins gourmands en énergie - ouvrent la voie à des dispositifs implantables capables de communiquer directement avec un smartphone et de fournir des données encore plus riches. Cela pourrait permettre la détection précoce de maladies avant l'apparition de symptômes évidents, par exemple grâce à la surveillance de la chimie du sang. Avec les développements parallèles de l'intelligence artificielle (IA), on peut facilement imaginer une situation où des problèmes de santé potentiels pourraient être diagnostiqués sans intervention humaine.

Conclusion

Les services de soins de santé sont sous pression dans le monde entier en raison de la demande croissante de traitements avancés et, dans de nombreux pays, du vieillissement de la population dont les besoins en matière de santé sont de plus en plus importants. 

Les technologies de santé sans fil peuvent jouer un rôle clé pour relever ce défi, en permettant une surveillance plus étroite et en temps réel de l'état de santé, ainsi qu'une détection précoce des maladies. Il a été démontré à maintes reprises qu'un diagnostic précoce peut permettre d'économiser un facteur 10 ou plus sur les coûts de traitement. Les appareils connectés reliés à des logiciels d'analyse dans le nuage et (si nécessaire) à des professionnels de la santé peuvent raccourcir le long cycle rendez-vous/test/résultats.

Ils peuvent également permettre aux utilisateurs de mieux contrôler leur propre santé et leur forme physique, en leur fournissant un retour d'information rapide sous une forme facile d'accès sur leurs appareils mobiles habituels. 

La conception d'appareils sans fil portés sur le corps, ergonomiques et performants, peut être un défi, mais l'amélioration constante de la technologie, associée à des idées créatives, permettra sans aucun doute à ce secteur de connaître une forte croissance à l'avenir.