Controller für medizinische tragbare Sensoren und Geräte

Die Zukunft von Sensoren und Sensornetzwerken sowie deren Anwendungen in der Unterhaltungselektronik, Medizin und elektronischen Ausrüstung in der Industrie ist zu einem wichtigen aktuellen Thema geworden. Die gestiegene Nachfrage nach tragbaren Sensoren, die zu Sensornetzwerken zusammengefasst werden können, ermöglicht es, Informationen schnell in großem Maßstab zu sammeln.

Sensoren sind im Grunde Geräte, die ein elektrisches Signal als Reaktion auf eine physische Veränderung in der Umgebung erzeugen. Ein Sensor wandelt physikalische Größen wie Temperatur, Blutdruck, Feuchtigkeit, Geschwindigkeit usw. in ein elektrisches Signal um, das gemessen und quantifiziert werden kann. Dieses Signal kann dann verwendet werden, um die Größe der physischen Störung zu berechnen, die das Signal erzeugt hat.

Ähnlich können Sensoren für tragbare Geräte eine Reihe wichtiger Aktivitäten vereinfachen, wie z.B. medizinische Diagnosen. Höhere Produktivitäts- und Sicherheitsanforderungen haben Sensoren in mehr Unterhaltungselektronik, persönlichen Gegenständen wie Kleidung und industrieller PSA nützlich gemacht. Biomedizinische Sensoren sind über medizinische Diagnosen oder Überwachungen hinaus nützlich; sie sind in der Landwirtschaft, persönlichen Fitness, Herstellung und jedem anderen Bereich anwendbar, wo jemand in einer gefährlichen Umgebung arbeiten könnte.

Was ist ein Sensornetzwerk?

Ein Sensornetzwerk besteht aus einer Gruppe kleiner, typischerweise batteriebetriebener Geräte mit drahtloser Konnektivität, die Veränderungen in einer Reihe von physischen Phänomenen überwachen, messen und aufzeichnen. Ein Sensornetzwerk kann für Umwelt-/Geologie-Sensing, Gesundheitsüberwachung, Datenprotokollierung, Bedrohungserkennung und Überwachung industrieller Ausrüstung verwendet werden.

Individuelle tragbare Sensoren und Sensornetzwerke können sich mit dem Internet, einem Unternehmens-WAN oder LAN oder einem spezialisierten industriellen Netzwerk verbinden, sodass gesammelte Daten zur Analyse an Back-End-Systeme übertragen werden können. Diese Geräte müssen mit einer spezifischen Topologie (typischerweise Mesh- oder Stern-Topologie) entworfen werden, obwohl dies die Art der Sensoren, die in jedem Knoten des Netzwerks verwendet werden können, nicht einschränkt.

Im medizinischen Bereich ermöglichen mehrere am menschlichen Körper angebrachte Sensoren die Überwachung mehrerer Vitalzeichen gleichzeitig in einer Stern-Topologie, und die Daten können drahtlos an eine Basisstation zur Sammlung und Analyse zurückgesendet werden. In der Fertigung und anderen gefährlichen Umgebungen können biomedizinische Monitore und Umweltsensoren an Arbeitern in einer Stern- oder Mesh-Topologie verbunden werden, was die Sicherheit der Arbeiter gewährleistet und gleichzeitig die nutzbare Reichweite des Netzwerks über ein größeres Gebiet erweitert.

Es gibt mehrere Arten von Sensoren und Controllern, die für neue Produkte verwendet werden können. Unabhängig davon, welchen Typ von Sensor Sie für Ihr nächstes Produkt verwenden oder wie das Gerät mit anderen Sensorknoten verbunden wird, müssen Sie den richtigen Controller und die richtigen Signalverarbeitungskomponenten für Ihr Produkt auswählen.

Signalverarbeitung für medizinische tragbare Sensoren

Der Erfolg von tragbaren medizinischen Geräten hängt hauptsächlich von der Integration von Sensoren mit Verarbeitungsalgorithmen in eine tragbare Form ab, die es medizinischen Fachkräften ermöglicht, sich auf die Überwachung chronischer Krankheiten zu konzentrieren und die Ergebnisse für Patienten zu verbessern. Derzeit können diese Geräte kontinuierliche Datenakquisition mehrerer Vitalzeichen bereitstellen. Da die Forschung und Entwicklung tragbarer Geräte weiter fortschreitet, können wir uns nur die Fortschritte vorstellen, die im Bereich der digitalen Gesundheit noch zu erleben sind.

Analog Devices, AD8233ACBZ-R7CT-ND

Tragbare Elektroden werden üblicherweise gegen die Haut gelegt, um elektrische Impulse vom Herzen genau zu messen. Große Verbesserungen wurden bei der Integration von tragbarer medizinischer Kleidung verzeichnet, aber die Integration ist so gut gesichert, dass die Kleidung ohne Entfernung der Sensoren gewaschen werden kann. Als Beispiel werden tragbare Elektroden verwendet, um medizinischen Fachkräften eine konstante EEG-, EKG- oder sogar EMG-Überwachung über einen längeren Zeitraum zu ermöglichen.

Der AD8233ACBZ-R7CT-N biopotentielle Signalverarbeitungsblock von Analog Devices bietet präzise Filterung von biopotentiellen Messungen in einem kleinen Formfaktor. Dieser IC wird auf einem 20-Ball BGA mit einem WLCSP-Paket montiert, sodass er immer noch klein genug ist, um in einem tragbaren Gerät verpackt zu werden, das mit zwei oder drei tragbaren Elektroden interagiert. Er verfügt über eine ausgezeichnete 80 dB Gleichtaktstörungsunterdrückung mit hohem Signalverstärkung.

Der AD8233 beinhaltet eine Schnellwiederherstellungsfunktion, die die Dauer der ansonsten langen Abklingzeiten der Hochpassfilter reduziert. Nach einer abrupten Signalsänderung, die den Verstärker an seine Grenzen bringt (wie bei einem Abklemmzustand), passt der AD8233 automatisch auf eine höhere Filtergrenzfrequenz an. Diese Funktion ermöglicht es dem AD8233, sich schnell zu erholen und daher bald nach dem Anschließen der Elektroden am Probanden gültige Messungen vorzunehmen.

AD8233ACBZ-R7CT-ND Controller-Fußabdruck und Blockdiagramm aus dem AD8233-Datenblatt

Maxim Integrated, MAX86150

Biochemische und biopotentielle Sensoren sind tendenziell die am häufigsten vorkommenden Sensortypen in medizinischen Wearables. Ein chemisch sensitives tragbares Gerät könnte als Diagnosewerkzeug für chemische Ungleichgewichte, Aufnahme oder Absorption toxischer Substanzen, Krankheiten wie multiple chemische Sensitivität (MCS) und andere chemisch bedingte Leiden verwendet werden.

Das MAX86150 Sensor-Array bietet integrierte Photoplethysmogramm- und Elektrokardiogramm-Messungen für mobile Gesundheitsüberwachung in einem tragbaren Gerät. Dieses Modul mit niedrigem Stromverbrauch (1,8 V Versorgungsspannung) ist ideal für tragbare Anwendungen. Es unterstützt auch die bidirektionale Kommunikation mit anderen Geräten über I2C, was es ideal für den Einsatz in drahtlosen tragbaren medizinischen Geräten macht. Dieses Gerät integriert Datenverarbeitung und standardmäßige biomedizinische Sensoren in einem einzigen Paket. Es beinhaltet sogar eine Näherungsfunktion:

Das MAX86150 beinhaltet eine Näherungsfunktion, um Strom zu sparen und die sichtbare Lichtemission zu reduzieren, wenn der Finger des Benutzers nicht auf dem Sensor ist...Wenn die SpO2- oder HR-Funktion gestartet wird, wird die IR-LED im Näherungsmodus mit einem vom PILOT_PA-Register festgelegten Treiberstrom eingeschaltet.

Blockdiagramm für ein typisches tragbares biomedizinisches Gerät aus dem MAX86150-Datenblatt

Controller für tragbare Sensoren und Sensornetzwerke

Tragbare Geräte und Knoten in Sensornetzwerken sind im Wesentlichen kleine eingebettete Geräte. Nachdem ein analoges Signal erfasst und verarbeitet wurde, muss es in digitale Daten umgewandelt werden, damit es über ein drahtloses Netzwerk übertragen oder leicht mit anderen Komponenten in einem tragbaren Gerät verbunden werden kann. Dies wird typischerweise mit einem Mikrocontroller durchgeführt, obwohl ASICs verwendet werden können, wenn gewünscht.

Ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Controllers für ein tragbares Gerät ist der Stromverbrauch. Die Minimierung des Stromverbrauchs ist wesentlich, da tragbare Geräte und Knoten in einem Sensornetzwerk typischerweise batteriebetrieben sind. Jeder in einem tragbaren Sensor verwendete Mikrocontroller sollte energieeffizient sein. Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist die Lebensdauer der im Gerät verwendeten Batterie. Auch die Funktionalität der Ein- und Ausgabekomponenten sollte berücksichtigt werden. Die Verwendung eines Mikrocontrollers, der in einen Schlafmodus in einer automatisierten oder halbautomatisierten Weise eintreten kann, ist eine großartige Wahl für Geräte mit tragbaren Sensoren oder in Knoten von drahtlosen Sensornetzwerken.

Microchip, ATSAME53J19A-AU

Der ATSAME53J19A-AU MCU von Microchip bietet im Vergleich zu anderen MCUs seiner Klasse einen niedrigen Stromverbrauch. Dieser hochwertige, energieeffiziente Controller ist ideal für den Einsatz in batteriebetriebenen tragbaren Geräten. Er verfügt über eine Sleep/Walking-Funktion, die es Peripheriegeräten ermöglicht, asynchron aus dem Schlafmodus im ULP1-Modus aufzuwachen. Beachten Sie, dass diese Funktionalität nicht auf medizinische tragbare Sensoren beschränkt ist: Sie könnte auch für die Datenverarbeitung in Netzwerken von Umweltsensoren verwendet werden.

Microchip ATSAME53J19A Mikrocontroller

Microchip, AR1010 MCU

In den meisten tragbaren Geräten ist der Bildschirm das primäre Ein- und Ausgabeelement. Andere Geräte haben andere Möglichkeiten, Informationen an den Verbraucher über eine Benutzeroberfläche zu liefern, wie Touchpanels, Knöpfe und manchmal Bewegungssensoren. Der Bildschirm bleibt dennoch eines der effektivsten Mittel zur Kommunikation mit dem Benutzer. Hier kann die Verwendung eines Mikrocontrollers mit der richtigen Firmware einem Designer erheblich Zeit sparen, wenn er ein neues Produkt erstellt.

Microchip mTouch^® AR1000 Serie Resistiver Touchscreen-Controller ist ein All-in-One, leicht zu integrierender, preisgünstiger und universeller Touchscreen-Controller-Chip. Die Firmware im AR1010-Controller beinhaltet Touchscreen-Decodierungsalgorithmen zur Verarbeitung von Touch-Daten. Diese besondere Funktion eliminiert die Notwendigkeit, manuell einen Decodierungsalgorithmus zu implementieren und gibt einem Designer mehr Flexibilität. Es bietet auch hervorragende Filterfähigkeiten im Vergleich zu anderen kostengünstigen Geräten. Dies macht den AR1000 zu einem authentifizierten, zuverlässigen und kalibrierten Touch-Koordinatenlieferanten.

Microchip AR1010 Mikrocontroller

Die richtige Kombination aus eingebetteter Verarbeitung und präzisen Sensoren kann eine genaue Datenerfassung gewährleisten und gleichzeitig die Grafikanzeige auf einem Touchscreen unterstützen. Die Geräte, die wir hier vorgestellt haben, sind nur ein Teil der verfügbaren Sensing-Optionen für den Einsatz in tragbaren Geräten und Sensornetzwerken. Im Bereich der tragbaren Sensoren sind viele ICs, die mit einem Touchscreen und mehreren Sensoren interagieren können, auf Evaluierungsboards verpackt, was Ihnen ein gewisses Maß an Freiheit gibt, Ihr nächstes tragbares Produkt zu prototypisieren.

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