Controller per Sensori e Dispositivi Indossabili Medici

Il futuro dei sensori e delle reti di sensori, e le loro applicazioni nell'elettronica di consumo, nella medicina e nelle apparecchiature elettroniche industriali, è diventato un argomento di grande attualità. La crescente domanda di sensori indossabili che possono essere organizzati in reti di sensori permette di raccogliere rapidamente informazioni su larga scala.

I sensori sono fondamentalmente dispositivi che generano un segnale elettrico in risposta a qualche cambiamento fisico nell'ambiente circostante. Un sensore converte quantità fisiche come temperatura, pressione sanguigna, umidità, velocità, ecc., in un segnale elettrico che può essere misurato e quantificato, il quale può poi essere utilizzato per calcolare l'entità della perturbazione fisica che ha generato il segnale.

Allo stesso modo, i sensori per dispositivi indossabili possono semplificare una serie di attività importanti, come le diagnosi mediche. La maggiore produttività e le esigenze di sicurezza hanno reso i sensori utili in più dispositivi elettronici di consumo, oggetti personali come l'abbigliamento e DPI industriali. I sensori biomedici sono utili oltre che per diagnosi o monitoraggi medici; sono diventati applicabili in agricoltura, fitness personale, produzione e qualsiasi altro settore in cui qualcuno possa lavorare in un ambiente pericoloso.

Cos'è una Rete di Sensori?

Una rete di sensori consiste in un gruppo di piccoli dispositivi, tipicamente alimentati a batteria, con connettività wireless che monitora, misura e registra cambiamenti in una serie di fenomeni fisici. Una rete di sensori può essere utilizzata per il rilevamento ambientale/geologico, il monitoraggio sanitario, la registrazione dei dati, il rilevamento di minacce e il monitoraggio delle apparecchiature industriali.

I singoli sensori indossabili e le reti di sensori possono connettersi a Internet, a una WAN o LAN aziendale, o a una rete industriale specializzata in modo che i dati raccolti possano essere trasmessi ai sistemi back-end per l'analisi. Questi dispositivi devono essere progettati con una topologia specifica (tipicamente mesh o stella), anche se ciò non limita il tipo di sensori che possono essere utilizzati in ogni nodo della rete.

Nell'ambito medico, più sensori posizionati sul corpo umano permettono il monitoraggio di più segni vitali simultaneamente in una topologia a stella, e i dati possono essere inviati indietro a una stazione base senza fili per la raccolta e l'analisi. Nella produzione e in altri ambienti pericolosi, i monitor biomedici e i sensori ambientali sui lavoratori possono essere connessi in una topologia a stella o mesh, il che aiuta a garantire la sicurezza dei lavoratori estendendo al contempo il raggio d'uso della rete su un'area più ampia.

Ci sono diversi tipi di sensori e controllori disponibili per l'uso in nuovi prodotti. Indipendentemente dal tipo di sensore che utilizzi per il tuo prossimo prodotto, o da come il dispositivo si connette ad altri nodi sensori, dovrai selezionare il controller giusto e i componenti di elaborazione del segnale per il tuo prodotto.

Elaborazione del Segnale per Sensori Indossabili Medici

Il successo dei dispositivi medici indossabili dipende principalmente dall'integrazione di sensori con algoritmi di elaborazione in un formato indossabile che permette ai professionisti del settore medico di concentrarsi sul monitoraggio di malattie persistenti e sul miglioramento dei risultati per i pazienti. Attualmente, questi dispositivi possono fornire l'acquisizione continua di dati di più segni vitali. Con il continuo progresso della ricerca e dello sviluppo dei dispositivi indossabili, possiamo solo immaginare i progressi che sono ancora da vivere nel regno della salute digitale.

Analog Devices, AD8233ACBZ-R7CT-ND

Gli elettrodi indossabili sono solitamente posizionati contro la pelle per misurare con precisione gli impulsi elettrici provenienti dal cuore. Sono stati registrati grandi miglioramenti nell'integrazione di abbigliamento medico indossabile, ma l'integrazione è ben assicurata al punto che l'abbigliamento può essere lavato senza rimuovere i sensori. Ad esempio, gli elettrodi indossabili sono utilizzati per fornire ai medici un EEG, EKG o anche un EMG costante per un periodo di tempo prolungato.

Il blocco di elaborazione del segnale biopotenziale AD8233ACBZ-R7CT-ND di Analog Devices fornisce una filtrazione precisa delle misurazioni biopotenziali in un piccolo formato. Questo IC si monta su un BGA a 20 sfere con un pacchetto WLCSP, quindi è ancora abbastanza piccolo da poter essere impacchettato in un dispositivo indossabile che si interfaccia con due o tre elettrodi indossabili. Ha un'eccellente reiezione del rumore in modo comune di 80 dB con un alto guadagno del segnale.

L'AD8233 include una funzione di ripristino rapido che riduce la durata delle altrimenti lunghe code di stabilizzazione dei filtri passa-alto. Dopo un brusco cambiamento del segnale che porta all'estremo l'amplificatore (come una condizione di disconnessione degli elettrodi), l'AD8233 si regola automaticamente su un taglio del filtro più alto. Questa caratteristica permette all'AD8233 di recuperare rapidamente e, quindi, di prendere misurazioni valide subito dopo aver collegato gli elettrodi al soggetto.

Impronta e diagramma a blocchi del controller AD8233ACBZ-R7CT-ND dal datasheet dell'AD8233

Maxim Integrated, MAX86150

I sensori biochimici e biopotenziali tendono ad essere il tipo di sensore più diffuso nei dispositivi medici indossabili. Un dispositivo indossabile per il rilevamento chimico potrebbe essere utilizzato come strumento diagnostico per squilibri chimici, ingestione o assorbimento di sostanze tossiche, malattie come la sensibilità chimica multipla (MCS) e altri disturbi legati alla chimica.

Il sensore MAX86150 offre misurazioni integrate di fotopletismogramma ed elettrocardiogramma per il monitoraggio della salute mobile in un dispositivo indossabile. Questo modulo a basso consumo (tensione di alimentazione 1,8 V) è ideale per applicazioni wearable. Supporta anche la comunicazione bidirezionale con altri dispositivi tramite I2C, rendendolo ideale per l'uso in dispositivi medici indossabili wireless. Questo dispositivo integra in modo efficace l'elaborazione dei dati e i sensori biomedici standard in un unico pacchetto. Include anche una funzione di prossimità:

Il MAX86150 include una funzione di prossimità per risparmiare energia e ridurre l'emissione di luce visibile quando il dito dell'utente non è sul sensore...Quando viene avviata la funzione SpO2 o HR, il LED IR viene acceso in modalità di prossimità con una corrente di pilotaggio impostata dal registro PILOT_PA.

Diagramma a blocchi per un tipico dispositivo biomedico indossabile dal datasheet del MAX86150

Controller per Sensori Indossabili e Reti di Sensori

I dispositivi indossabili e i nodi nelle reti di sensori sono sostanzialmente piccoli dispositivi embedded. Dopo che un segnale analogico è stato acquisito ed elaborato, deve essere convertito in dati digitali che possono essere trasmessi su una rete wireless o interfacciarsi facilmente con altri componenti in un dispositivo indossabile. Questo viene tipicamente fatto con un microcontrollore, anche se gli ASIC possono essere utilizzati se desiderato.

Un fattore chiave da considerare nella scelta di un controller per un dispositivo indossabile è il consumo di energia. Minimizzare il consumo di energia è essenziale poiché i dispositivi indossabili e i nodi in una rete di sensori sono tipicamente alimentati a batteria. Qualsiasi microcontrollore utilizzato in un sensore indossabile dovrebbe essere efficiente dal punto di vista energetico. Un altro fattore da considerare è la durata della batteria utilizzata nel dispositivo. Dovrebbero essere considerate anche le funzionalità dei componenti di input e output. Utilizzare un microcontrollore che può entrare in modalità sleep in modo automatizzato o semi-automatizzato è una scelta eccellente per dispositivi con sensori indossabili o in nodi di reti di sensori wireless.

Microchip, ATSAME53J19A-AU

Il MCU ATSAME53J19A-AU di Microchip offre un consumo di energia basso rispetto ad altri MCU della sua classe. Questo controller ad alta efficienza energetica è ideale per l'uso in dispositivi indossabili alimentati a batteria. Ha una funzione Sleep/Walking che consente ai periferici di svegliarsi asincronamente dal sonno in modalità ULP1. Nota che questa funzionalità non è limitata ai sensori medici indossabili: potrebbe anche essere utilizzata per l'elaborazione dei dati in reti di sensori ambientali.

Microcontrollore Microchip ATSAME53J19A

Microchip, AR1010 MCU

Nella maggior parte dei dispositivi indossabili, lo schermo di visualizzazione è l'elemento primario di input e output. Altri dispositivi hanno altri modi per fornire informazioni al consumatore attraverso un'interfaccia utente, come pannelli touch, pulsanti e talvolta rilevamento del movimento. Lo schermo di visualizzazione rimane comunque uno dei mezzi più efficaci per comunicare con l'utente. Qui è dove l'utilizzo di un microcontrollore con il firmware giusto può risparmiare a un progettista una notevole quantità di tempo nella creazione di un nuovo prodotto.

Il Microchip mTouch^® AR1000 Series Resistive Touch Screen Controller è un chip controller per schermi touch resistivi tutto in uno, facile da integrare, economico e universale. Il firmware nel controller AR1010 include algoritmi di decodifica del touch screen per l'elaborazione dei dati touch. Questa particolare caratteristica elimina la necessità di implementare manualmente un algoritmo di decodifica e offre al progettista maggiore flessibilità. Offre anche eccellenti capacità di filtraggio rispetto ad altri dispositivi a basso costo. Questo rende l'AR1000 in grado di fornire coordinate del tocco autenticate, affidabili e calibrate.

Microcontrollore Microchip AR1010

Utilizzare la giusta combinazione di elaborazione incorporata può garantire sensori precisi per un'acquisizione dati accurata supportando al contempo la visualizzazione grafica su uno schermo touch. I dispositivi che abbiamo presentato qui sono solo una parte delle opzioni di rilevamento disponibili per l'uso in dispositivi indossabili e reti di sensori. Nel campo dei sensori indossabili, molti circuiti integrati che possono interfacciarsi con uno schermo touch e più sensori sono confezionati su schede di valutazione, offrendoti un certo livello di libertà per prototipare il tuo prossimo prodotto indossabile.

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