Controladores para Sensores y Dispositivos Médicos Portátiles

El futuro de los sensores y redes de sensores, y sus aplicaciones en electrónica de consumo, medicina y equipos electrónicos en la industria, se ha convertido en un tema importante. La demanda creciente de sensores portátiles que pueden formar redes de sensores permite recopilar información rápidamente a gran escala.

Los sensores son básicamente dispositivos que se utilizan para generar una señal eléctrica en respuesta a algún cambio físico en el entorno circundante. Un sensor convierte cantidades físicas como temperatura, presión arterial, humedad, velocidad, etc., en una señal eléctrica que puede ser medida y cuantificada, lo que luego puede ser utilizado para calcular la magnitud de la perturbación física que generó la señal.

De manera similar, los sensores para dispositivos portátiles pueden agilizar una serie de actividades importantes, como diagnósticos médicos. La mayor productividad y demandas de seguridad han hecho que los sensores sean útiles en más electrónica de consumo, artículos personales como ropa y EPP industrial. Los sensores biomédicos son útiles más allá de los diagnósticos o monitoreo médico; se han vuelto aplicables en agricultura, fitness personal, fabricación y cualquier otra área donde alguien pueda estar trabajando en un ambiente peligroso.

¿Qué es una Red de Sensores?

Una red de sensores consiste en un grupo de dispositivos pequeños, típicamente alimentados por baterías con conectividad inalámbrica que monitorea, mide y registra cambios en una serie de fenómenos físicos. Una red de sensores puede ser utilizada para detección ambiental/geológica, monitoreo de la salud, registro de datos, detección de amenazas y monitoreo de equipos industriales.

Sensores portátiles individuales y redes de sensores pueden conectarse a Internet, una WAN o LAN empresarial, o una red industrial especializada para que los datos recopilados puedan transmitirse a sistemas de back-end para análisis. Estos dispositivos deben ser diseñados con una topología específica (típicamente malla o estrella), aunque esto no inhibe el tipo de sensores que pueden ser utilizados en cada nodo de la red.

En el ámbito médico, múltiples sensores colocados en el cuerpo humano permiten el monitoreo de múltiples signos vitales simultáneamente en una topología de estrella, y los datos pueden enviarse de vuelta a una estación base de forma inalámbrica para su recolección y análisis. En la fabricación y otros ambientes peligrosos, monitores biomédicos y sensores ambientales en los trabajadores pueden conectarse en una topología de estrella o malla, lo que ayuda a garantizar la seguridad del trabajador mientras extiende el rango utilizable de la red sobre un área más grande.

Hay varios tipos de sensores y controladores disponibles para su uso en nuevos productos. No importa qué tipo de sensor utilices para tu próximo producto, o cómo el dispositivo se conecte a otros nodos de sensores, necesitarás seleccionar los componentes de controlador y procesamiento de señales adecuados para tu producto.

Procesamiento de Señales para Sensores Portátiles Médicos

El éxito de los dispositivos médicos portátiles depende principalmente de la integración de sensores con algoritmos de procesamiento en un formato portátil que permite a los profesionales médicos concentrarse en monitorear enfermedades persistentes y mejorar los resultados para los pacientes. Actualmente, estos dispositivos pueden proporcionar la adquisición continua de datos de múltiples signos vitales. A medida que la investigación y el desarrollo de dispositivos portátiles continúan avanzando, solo podemos imaginar los avances que aún están por experimentarse en el ámbito de la salud digital.

Analog Devices, AD8233ACBZ-R7CT-ND

Los electrodos portátiles se colocan generalmente contra la piel para medir con precisión los pulsos eléctricos del corazón. Se han registrado grandes mejoras en la integración de ropa médica portátil, pero la integración está bien asegurada hasta el punto de que la ropa se puede lavar sin necesidad de quitar los sensores. Como ejemplo, los electrodos portátiles se utilizan para proporcionar a los médicos un EEG, EKG o incluso un EMG constante durante un período de tiempo prolongado.

El bloque de procesamiento de señales biopotenciales AD8233ACBZ-R7CT-N de Analog Devices proporciona un filtrado preciso de las mediciones biopotenciales en un factor de forma pequeño. Este CI se monta en un BGA de 20 bolas con un paquete WLCSP, por lo que aún es lo suficientemente pequeño como para ser empaquetado en un dispositivo portátil que se interfaz con dos o tres electrodos portátiles. Tiene una excelente rechazo de ruido de modo común de 80 dB con alta ganancia de señal.

El AD8233 incluye una función de restauración rápida que reduce la duración de las colas de asentamiento largas de los filtros de paso alto. Después de un cambio abrupto de señal que satura el amplificador (como una condición de desconexión de los electrodos), el AD8233 se ajusta automáticamente a un corte de filtro más alto. Esta característica permite que el AD8233 se recupere rápidamente y, por lo tanto, tome mediciones válidas poco después de conectar los electrodos al sujeto.

Huella y diagrama de bloques del controlador AD8233ACBZ-R7CT-ND del datasheet del AD8233

Maxim Integrated, MAX86150

Los sensores bioquímicos y biopotenciales tienden a ser el tipo de sensor más prevalente en dispositivos médicos portátiles. Un dispositivo portátil de detección química podría usarse como una herramienta de diagnóstico para desequilibrios químicos, ingestión o absorción de sustancias tóxicas, enfermedades como la sensibilidad química múltiple (MCS) y otras dolencias relacionadas con químicos.

El arreglo de sensores MAX86150 proporciona mediciones integradas de fotopletismograma y electrocardiograma para el monitoreo de salud móvil en un dispositivo portátil. Este módulo de bajo consumo (voltaje de alimentación de 1.8 V) es ideal para aplicaciones portátiles. También soporta comunicación bidireccional con otros dispositivos a través de I2C, lo que lo hace ideal para su uso en dispositivos médicos portátiles inalámbricos. Este dispositivo integra de manera eficiente el procesamiento de datos y los sensores biomédicos estándar en un solo paquete. Incluso incluye una función de proximidad:

El MAX86150 incluye una función de proximidad para ahorrar energía y reducir la emisión de luz visible cuando el dedo del usuario no está sobre el sensor...Cuando se inicia la función de SpO2 o HR, el LED IR se enciende en modo de proximidad con una corriente de conducción establecida por el registro PILOT_PA.

Diagrama de bloques para un dispositivo biomédico portátil típico del datasheet del MAX86150

Controladores para Sensores Portátiles y Redes de Sensores

Los dispositivos portátiles y los nodos en redes de sensores son esencialmente dispositivos embebidos pequeños. Después de que una señal analógica es adquirida y procesada, debe ser convertida en datos digitales que puedan ser transmitidos a través de una red inalámbrica o interfaz fácilmente con otros componentes en un dispositivo portátil. Esto se hace típicamente con un microcontrolador, aunque se pueden usar ASICs si se desea.

Un factor clave a considerar al elegir un controlador para un dispositivo portátil es el consumo de energía. Minimizar el consumo de energía es esencial ya que los dispositivos portátiles y los nodos en una red de sensores típicamente funcionan con baterías. Cualquier microcontrolador utilizado en un sensor portátil debe ser eficiente en términos de energía. Otro factor a considerar es la vida útil de la batería utilizada en el dispositivo. La funcionalidad de los componentes de entrada y salida también debe ser considerada. Usar un microcontrolador que pueda entrar en modo de sueño de manera automática o semi-automática es una excelente elección para dispositivos con sensores portátiles o en nodos de redes de sensores inalámbricos.

Microchip, ATSAME53J19A-AU

El MCU ATSAME53J19A-AU de Microchip ofrece un consumo de energía bajo en comparación con otros MCU de su clase. Este controlador de alta eficiencia energética es ideal para su uso en dispositivos portátiles operados con baterías. Tiene una característica de Sueño/Caminata que permite a los periféricos despertarse de forma asincrónica del sueño en modo ULP1. Note que esta funcionalidad no se limita a sensores portátiles médicos: también podría ser utilizada para el procesamiento de datos en redes de sensores ambientales.

Microcontrolador Microchip ATSAME53J19A

Microchip, AR1010 MCU

En la mayoría de los dispositivos portátiles, la pantalla es el principal elemento de entrada y salida. Otros dispositivos tienen otras formas de proporcionar información al consumidor a través de una interfaz de usuario, como paneles táctiles, botones y, a veces, detección de movimiento. La pantalla sigue siendo uno de los medios más efectivos para comunicarse con el usuario. Aquí es donde usar un microcontrolador con el firmware adecuado puede ahorrarle a un diseñador una cantidad significativa de tiempo al crear un nuevo producto.

Microchip mTouch^® AR1000 Series Resistive Touch Screen Controller es un chip controlador de pantalla táctil resistiva todo en uno, fácil de integrar, económico y universal. El firmware en el controlador AR1010 incluye algoritmos de decodificación de pantalla táctil para procesar datos táctiles. Esta característica particular elimina la necesidad de implementar manualmente un algoritmo de decodificación y brinda al diseñador más flexibilidad. También proporciona excelentes capacidades de filtrado en comparación con otros dispositivos de bajo costo. Esto hace que el AR1000 entregue coordenadas táctiles autenticadas, fiables y calibradas.

Microcontrolador Microchip AR1010

Usar la combinación adecuada de procesamiento embebido y sensores precisos puede asegurar la adquisición de datos precisa mientras se soporta la visualización gráfica en una pantalla táctil. Los dispositivos que hemos presentado aquí son solo una parte de las opciones de detección disponibles para su uso en dispositivos portátiles y redes de sensores. En el ámbito de los sensores portátiles, muchos CI que pueden interfazarse con una pantalla táctil y múltiples sensores están empaquetados en placas de evaluación, dándote cierto nivel de libertad para prototipar tu próximo producto portátil.

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