Controladores para Sensores e Dispositivos Médicos Vestíveis

O futuro dos sensores e redes de sensores, e suas aplicações em eletrônicos de consumo, medicina e equipamentos eletrônicos na indústria, tornou-se um assunto importante e atual. A demanda crescente por sensores vestíveis que podem ser formados em redes de sensores permite que informações sejam rapidamente coletadas em larga escala.

Sensores são basicamente dispositivos que são usados para gerar um sinal elétrico em resposta a alguma mudança física no ambiente ao redor. Um sensor converte quantidades físicas como temperatura, pressão sanguínea, umidade, velocidade, etc., em um sinal elétrico que pode ser medido e quantificado, o qual pode então ser usado para calcular a magnitude da perturbação física que gerou o sinal.

Da mesma forma, sensores para dispositivos vestíveis podem otimizar uma série de atividades importantes, como diagnósticos médicos. A maior produtividade e demandas de segurança tornaram os sensores úteis em mais eletrônicos de consumo, itens pessoais como roupas e EPIs industriais. Sensores biomédicos são úteis além de diagnósticos médicos ou monitoramento; eles se tornaram aplicáveis na agricultura, fitness pessoal, manufatura e qualquer outra área onde alguém possa estar trabalhando em um ambiente perigoso.

O que é uma Rede de Sensores?

Uma rede de sensores consiste em um grupo de dispositivos pequenos, tipicamente alimentados por bateria, com conectividade sem fio que monitora, mede e registra mudanças em vários fenômenos físicos. Uma rede de sensores pode ser usada para detecção ambiental/geológica, monitoramento de saúde, registro de dados, detecção de ameaças e monitoramento de equipamentos industriais.

Sensores vestíveis individuais e redes de sensores podem se conectar à Internet, uma WAN ou LAN empresarial, ou uma rede industrial especializada para que os dados coletados possam ser transmitidos para sistemas de back-end para análise. Esses dispositivos devem ser projetados com uma topologia específica (tipicamente malha ou estrela), embora isso não iniba o tipo de sensores que podem ser usados em cada nó da rede.

Na área médica, múltiplos sensores colocados no corpo humano permitem o monitoramento de vários sinais vitais simultaneamente em uma topologia estrela, e os dados podem ser enviados de volta para uma estação base sem fio para coleta e análise. Na manufatura e outros ambientes perigosos, monitores biomédicos e sensores ambientais em trabalhadores podem ser conectados em uma topologia estrela ou malha, o que ajuda a garantir a segurança do trabalhador enquanto estende o alcance utilizável da rede por uma área maior.

Existem vários tipos de sensores e controladores disponíveis para uso em novos produtos. Não importa qual tipo de sensor você use para o seu próximo produto, ou como o dispositivo se conecta a outros nós de sensores, você precisará selecionar os componentes certos de controlador e processamento de sinal para o seu produto.

Processamento de Sinal para Sensores Vestíveis Médicos

O sucesso dos dispositivos médicos vestíveis depende principalmente da integração de sensores com algoritmos de processamento em um formato vestível que permite aos profissionais médicos se concentrarem no monitoramento de doenças persistentes e na melhoria dos resultados para os pacientes. Atualmente, esses dispositivos podem fornecer a aquisição contínua de dados de múltiplos sinais vitais. À medida que a pesquisa e o desenvolvimento de dispositivos vestíveis continuam a progredir, só podemos imaginar os avanços que ainda estão por vir no âmbito da saúde digital.

Analog Devices, AD8233ACBZ-R7CT-ND

Eletrodos vestíveis são geralmente colocados contra a pele para medir com precisão os pulsos elétricos do coração. Grandes melhorias foram registradas na integração de roupas médicas vestíveis, mas a integração é bem segura ao ponto de que as roupas podem ser lavadas sem a remoção dos sensores. Como exemplo, eletrodos vestíveis são usados para fornecer aos médicos um EEG, EKG, ou até mesmo um EMG constante por um período prolongado de tempo.

O bloco de processamento de sinal biopotencial AD8233ACBZ-R7CT-ND da Analog Devices fornece filtragem precisa de medições biopotenciais em um pequeno formato. Este CI é montado em uma BGA de 20 bolas com um pacote WLCSP, então ainda é pequeno o suficiente para ser embalado em um dispositivo vestível que se interfaceia com dois ou três eletrodos vestíveis. Ele possui excelente rejeição de ruído de modo comum de 80 dB com alto ganho de sinal.

O AD8233 inclui uma função de restauração rápida que reduz a duração das caudas de assentamento longas dos filtros passa-alta. Após uma mudança abrupta de sinal que satura o amplificador (como uma condição de desligamento dos eletrodos), o AD8233 ajusta automaticamente para um corte de filtro mais alto. Essa característica permite que o AD8233 se recupere rapidamente e, portanto, faça medições válidas logo após conectar os eletrodos ao sujeito.

Footprint e diagrama de blocos do controlador AD8233ACBZ-R7CT-ND do datasheet do AD8233

Maxim Integrated, MAX86150

Sensores bioquímicos e biopotenciais tendem a ser o tipo de sensor mais prevalente em dispositivos médicos vestíveis. Um dispositivo vestível de detecção química poderia ser usado como uma ferramenta de diagnóstico para desequilíbrios químicos, ingestão ou absorção de substâncias tóxicas, doenças como sensibilidade química múltipla (MCS) e outras doenças relacionadas a substâncias químicas.

O sensor MAX86150 oferece medições integradas de fotopletismograma e eletrocardiograma para monitoramento de saúde móvel em um dispositivo vestível. Este módulo de baixo consumo (tensão de alimentação de 1,8 V) é ideal para aplicações vestíveis. Ele também suporta comunicação bidirecional com outros dispositivos via I2C, tornando-o ideal para uso em dispositivos médicos vestíveis sem fio. Este dispositivo integra de maneira eficiente o processamento de dados e sensores biomédicos padrão em um único pacote. Inclui até uma função de proximidade:

O MAX86150 inclui uma função de proximidade para economizar energia e reduzir a emissão de luz visível quando o dedo do usuário não está sobre o sensor...Quando a função SpO2 ou HR é iniciada, o LED IR é ligado no modo de proximidade com uma corrente de acionamento definida pelo registro PILOT_PA.

Diagrama de blocos para um dispositivo biomédico vestível típico a partir do datasheet do MAX86150

Controladores para Sensores Vestíveis e Redes de Sensores

Dispositivos vestíveis e nós em redes de sensores são essencialmente pequenos dispositivos embutidos. Após um sinal analógico ser adquirido e processado, ele deve ser convertido em dados digitais para que possa ser transmitido por uma rede sem fio ou facilmente interagir com outros componentes em um dispositivo vestível. Isso é tipicamente feito com um microcontrolador, embora ASICs possam ser usados se desejado.

Um fator chave a considerar ao escolher um controlador para um dispositivo vestível é o consumo de energia. Minimizar o consumo de energia é essencial, pois vestíveis e nós em uma rede de sensores são tipicamente alimentados por bateria. Qualquer microcontrolador usado em um sensor vestível deve ser eficiente em termos de energia. Outro fator a considerar é a vida útil da bateria usada no dispositivo. A funcionalidade dos componentes de entrada e saída também deve ser considerada. Usar um microcontrolador que pode entrar em modo de espera de maneira automatizada ou semi-automatizada é uma ótima escolha para dispositivos com sensores vestíveis ou em nós de redes de sensores sem fio.

Microchip, ATSAME53J19A-AU

O MCU ATSAME53J19A-AU da Microchip oferece um consumo de energia baixo quando comparado a outros MCUs de sua classe. Este controlador de alta eficiência energética é ideal para uso em dispositivos vestíveis operados por bateria. Ele possui um recurso de Sleep/Walking que permite que os periféricos despertem de forma assíncrona do sono no modo ULP1. Note que essa funcionalidade não se limita a sensores médicos vestíveis: ela também pode ser usada para processamento de dados em redes de sensores ambientais.

Microcontrolador Microchip ATSAME53J19A

Microchip, AR1010 MCU

Na maioria dos dispositivos vestíveis, a tela de exibição é o principal elemento de entrada e saída. Outros dispositivos têm outras maneiras de fornecer informações ao consumidor por meio de uma interface de usuário, como painéis sensíveis ao toque, botões e, às vezes, detecção de movimento. A tela de exibição ainda permanece um dos meios mais eficazes de comunicação com o usuário. É aqui que usar um microcontrolador com o firmware certo pode economizar a um designer uma quantidade significativa de tempo ao criar um novo produto.

O Microchip mTouch^® AR1000 Series Resistive Touch Screen Controller é um chip controlador de tela sensível ao toque resistiva tudo-em-um, fácil de integrar, com preço acessível e universal. O firmware no controlador AR1010 inclui algoritmos de decodificação de tela sensível ao toque para processamento de dados de toque. Essa característica particular elimina a necessidade de implementar manualmente um algoritmo de decodificação e dá mais flexibilidade a um designer. Ele também fornece excelentes capacidades de filtragem quando comparado a outros dispositivos de baixo custo. Isso faz com que o AR1000 entregue coordenadas de toque autenticadas, confiáveis e calibradas.

Microcontrolador Microchip AR1010

Usar a combinação certa de processamento embutido pode garantir a aquisição precisa de dados enquanto suporta a exibição gráfica em uma tela sensível ao toque. Os dispositivos que apresentamos aqui são apenas uma parte das opções de detecção disponíveis para uso em dispositivos vestíveis e redes de sensores. No âmbito dos sensores vestíveis, muitos CI que podem interagir com uma tela sensível ao toque e vários sensores são embalados em placas de avaliação, dando-lhe algum nível de liberdade para prototipar seu próximo produto vestível.

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