Sterowniki do medycznych sensorów i urządzeń noszonych

Przyszłość czujników i sieci czujnikowych oraz ich zastosowania w elektronice użytkowej, medycynie i sprzęcie elektronicznym w przemyśle stała się ważnym tematem. Zwiększone zapotrzebowanie na noszone czujniki, które mogą być formowane w sieci czujnikowe, pozwala na szybkie zbieranie informacji na dużą skalę.

Czujniki to w zasadzie urządzenia, które są używane do generowania sygnału elektrycznego w odpowiedzi na jakąś fizyczną zmianę w otaczającym środowisku. Czujnik przekształca wielkości fizyczne takie jak temperatura, ciśnienie krwi, wilgotność, prędkość itp. na sygnał elektryczny, który może być mierzony i kwantyfikowany, co następnie może być użyte do obliczenia wielkości fizycznego zakłócenia, które wygenerowało sygnał.

Podobnie, czujniki dla urządzeń noszonych mogą usprawnić szereg ważnych działań, takich jak diagnozy medyczne. Większe wymagania dotyczące produktywności i bezpieczeństwa sprawiły, że czujniki są użyteczne w większej liczbie elektroniki użytkowej, osobistych przedmiotów takich jak odzież i przemysłowego sprzętu ochronnego. Czujniki biomedyczne są użyteczne nie tylko w diagnozach medycznych lub monitorowaniu; stały się one stosowane w rolnictwie, osobistej kondycji fizycznej, produkcji i wszelkich innych obszarach, gdzie ktoś może pracować w niebezpiecznym środowisku.

Co to jest sieć czujników?

Sieć czujników składa się z grupy małych, zazwyczaj zasilanych bateriami urządzeń z łącznością bezprzewodową, które monitorują, mierzą i rejestrują zmiany w wielu zjawiskach fizycznych. Sieć czujników może być używana do wykrywania środowiskowego/geologicznego, monitorowania opieki zdrowotnej, rejestrowania danych, wykrywania zagrożeń i monitorowania sprzętu przemysłowego.

Poszczególne noszone czujniki i sieci czujnikowe mogą łączyć się z Internetem, korporacyjną siecią WAN lub LAN lub specjalizowaną siecią przemysłową, aby przesyłać zebrane dane do systemów zaplecza do analizy. Te urządzenia muszą być zaprojektowane z określoną topologią (zazwyczaj topologia siatki lub gwiazdy), chociaż nie ogranicza to typu czujników, które mogą być używane w każdym węźle sieci.

W dziedzinie medycyny, wiele czujników umieszczonych na ciele człowieka pozwala na jednoczesne monitorowanie wielu ważnych parametrów życiowych w topologii gwiazdy, a dane mogą być bezprzewodowo wysyłane z powrotem do stacji bazowej do zbierania i analizy. W produkcji i innych niebezpiecznych środowiskach, monitory biomedyczne i czujniki środowiskowe na pracownikach mogą być połączone w topologii gwiazdy lub siatki, co pomaga zapewnić bezpieczeństwo pracowników, jednocześnie rozszerzając użyteczny zasięg sieci na większy obszar.

Istnieje kilka rodzajów czujników i kontrolerów dostępnych do użytku w nowych produktach. Bez względu na to, który typ czujnika użyjesz do swojego następnego produktu, czy jak urządzenie łączy się z innymi węzłami czujników, będziesz musiał wybrać odpowiedni kontroler i komponenty przetwarzania sygnałów dla swojego produktu.

Przetwarzanie sygnałów dla medycznych czujników noszonych

Sukces urządzeń medycznych do noszenia zależy głównie od integracji czujników z algorytmami przetwarzania w formie nadającej się do noszenia, która pozwala specjalistom medycznym skupić się na monitorowaniu przewlekłych chorób i poprawie wyników dla pacjentów. Obecnie te urządzenia mogą zapewniać ciągłe pozyskiwanie danych o wielu istotnych parametrach życiowych. W miarę postępu badań i rozwoju urządzeń do noszenia możemy tylko wyobrażać sobie postępy, które jeszcze mają nadejść w dziedzinie zdrowia cyfrowego.

Analog Devices, AD8233ACBZ-R7CT-ND

Elektrody do noszenia są zwykle umieszczane na skórze, aby dokładnie mierzyć impulsy elektryczne z serca. Zanotowano znaczne ulepszenia w integracji medycznej odzieży do noszenia, ale integracja jest na tyle dobrze zabezpieczona, że odzież można prać bez konieczności usuwania czujników. Jako przykład, elektrody do noszenia są używane do zapewnienia praktykom medycznym ciągłego EEG, EKG, czy nawet EMG przez dłuższy okres czasu.

Blok przetwarzania sygnałów biopotencjałowych AD8233ACBZ-R7CT-ND od Analog Devices zapewnia precyzyjne filtrowanie pomiarów biopotencjałów w małej formie. Ten układ scalony montuje się na 20-kulowej BGA z pakietem WLCSP, więc jest na tyle mały, że może być zapakowany w urządzenie do noszenia, które łączy się z dwoma lub trzema elektrodami do noszenia. Posiada doskonałe odrzucenie szumów wspólnych 80 dB przy wysokim wzmocnieniu sygnału.

AD8233 zawiera funkcję szybkiego przywracania, która skraca czas trwania inaczej długich ogonów ustalania filtrów górnoprzepustowych. Po nagłej zmianie sygnału, która sprowadza wzmacniacz do stanu nasycenia (takim jak stan odłączenia elektrod), AD8233 automatycznie dostosowuje się do wyższego progu odcięcia filtru. Ta funkcja pozwala AD8233 szybko się odzyskać, a więc, umożliwia szybkie przeprowadzenie ważnych pomiarów zaraz po podłączeniu elektrod do badanego.

Odbitka śladu i schemat blokowy kontrolera AD8233ACBZ-R7CT-ND z karty katalogowej AD8233

Maxim Integrated, MAX86150

Czujniki biochemiczne i biopotencjałowe mają tendencję do bycia najbardziej rozpowszechnionym typem czujników w medycznych urządzeniach do noszenia. Urządzenie do noszenia wykrywające substancje chemiczne może być używane jako narzędzie diagnostyczne dla zaburzeń chemicznych, spożycia lub absorpcji toksycznych substancji, chorób takich jak wieloczynnikowa nadwrażliwość chemiczna (MCS) i innych dolegliwości związanych z chemią.

Tablica sensorów MAX86150 zapewnia zintegrowane pomiary fotopletyzmogramu i elektrokardiogramu dla mobilnego monitorowania zdrowia w urządzeniu noszonym. Ten moduł o niskim zużyciu energii (napięcie zasilania 1,8 V) jest idealny do zastosowań w urządzeniach noszonych. Obsługuje również dwukierunkową komunikację z innymi urządzeniami za pośrednictwem I2C, co czyni go idealnym do użycia w bezprzewodowych noszonych urządzeniach medycznych. Urządzenie to ładnie integruje przetwarzanie danych i standardowe sensory biomedyczne w jednym pakiecie. Zawiera nawet funkcję zbliżeniową:

MAX86150 zawiera funkcję zbliżeniową, aby oszczędzać energię i redukować emisję widzialnego światła, gdy palec użytkownika nie znajduje się na sensorze...Gdy funkcja SpO2 lub HR jest inicjowana, dioda IR jest włączana w trybie zbliżeniowym z prądem sterowania ustawionym przez rejestr PILOT_PA.

Schemat blokowy typowego noszonego urządzenia biomedycznego z karty katalogowej MAX86150

Kontrolery dla noszonych sensorów i sieci sensorów

Urządzenia noszone i węzły w sieciach sensorów to zasadniczo małe urządzenia wbudowane. Po uzyskaniu i przetworzeniu sygnału analogowego, musi on zostać przekształcony na dane cyfrowe, które mogą być przesyłane przez sieć bezprzewodową lub łatwo współpracować z innymi komponentami w urządzeniu noszonym. Zazwyczaj robi się to za pomocą mikrokontrolera, chociaż jeśli jest to pożądane, można użyć ASIC.

Kluczowym czynnikiem do rozważenia przy wyborze kontrolera dla urządzenia noszonego jest zużycie energii. Minimalizacja zużycia energii jest kluczowa, ponieważ urządzenia noszone i węzły w sieci sensorów są zazwyczaj zasilane bateriami. Każdy mikrokontroler używany w noszonym sensorze powinien być energooszczędny. Innym czynnikiem do rozważenia jest żywotność baterii używanej w urządzeniu. Należy również wziąć pod uwagę funkcjonalność komponentów wejściowych i wyjściowych. Użycie mikrokontrolera, który może wejść w tryb uśpienia w sposób automatyczny lub półautomatyczny, jest świetnym wyborem dla urządzeń z noszonymi sensorami lub w węzłach sieci sensorów bezprzewodowych.

Microchip, ATSAME53J19A-AU

Mikrokontroler ATSAME53J19A-AU od Microchip zapewnia niskie zużycie energii w porównaniu z innymi mikrokontrolerami w swojej klasie. Ten wysokiej klasy kontroler o niskim zużyciu energii jest idealny do stosowania w urządzeniach noszonych zasilanych bateriami. Posiada funkcję Sleep/Walking, która umożliwia asynchroniczne wybudzanie z trybu uśpienia w trybie ULP1 przez peryferia. Należy zauważyć, że ta funkcjonalność nie jest ograniczona do medycznych sensorów noszonych: może być również używana do przetwarzania danych w sieciach sensorów środowiskowych.

Mikrokontroler Microchip ATSAME53J19A

Microchip, AR1010 MCU

W większości urządzeń noszonych ekran jest głównym elementem wejścia i wyjścia. Inne urządzenia posiadają inne sposoby dostarczania informacji konsumentowi poprzez interfejs użytkownika, takie jak panele dotykowe, przyciski, a czasami czujniki ruchu. Ekran nadal pozostaje jednym z najskuteczniejszych sposobów komunikacji z użytkownikiem. Tutaj użycie mikrokontrolera z odpowiednim oprogramowaniem może zaoszczędzić projektantowi znaczną ilość czasu podczas tworzenia nowego produktu.

Microchip mTouch^® AR1000 Series Resistive Touch Screen Controller to wszechstronny, łatwy w integracji, przyjazny dla budżetu i uniwersalny kontroler ekranu dotykowego. Oprogramowanie w kontrolerze AR1010 zawiera algorytmy dekodowania ekranu dotykowego do przetwarzania danych dotykowych. Ta szczególna cecha eliminuje potrzebę ręcznej implementacji algorytmu dekodowania i daje projektantowi większą elastyczność. Zapewnia również doskonałe możliwości filtrowania w porównaniu z innymi urządzeniami niskobudżetowymi. To sprawia, że AR1000 dostarcza uwierzytelnione, niezawodne i skalibrowane współrzędne dotyku.

Mikrokontroler Microchip AR1010

Użycie odpowiedniej kombinacji przetwarzania wbudowanego i dokładnych czujników może zapewnić dokładne pozyskiwanie danych przy jednoczesnym wsparciu wyświetlania grafiki na ekranie dotykowym. Urządzenia, które tutaj przedstawiliśmy, to tylko część dostępnych opcji czujników do użytku w urządzeniach noszonych i sieciach sensorowych. W dziedzinie czujników noszonych wiele układów scalonych, które mogą współpracować z ekranem dotykowym i wieloma czujnikami, jest pakowanych na płytach ewaluacyjnych, dając pewien poziom swobody w prototypowaniu kolejnego produktu noszonego.

Mamy nadzieję, że ten artykuł okazał się przydatny! Jeśli chcesz otrzymywać treści takie jak ta prosto do swojej skrzynki odbiorczej, zapisz się na nasz miesięczny newsletter!