Контроллеры для медицинских носимых сенсоров и устройств

Будущее датчиков и сетей датчиков, а также их применение в потребительской электронике, медицине и электронном оборудовании в промышленности, стало важной актуальной темой. Увеличенный спрос на носимые датчики, которые могут быть объединены в сети датчиков, позволяет быстро собирать информацию в больших масштабах.

Датчики - это устройства, которые используются для генерации электрического сигнала в ответ на какое-либо физическое изменение в окружающей среде. Датчик преобразует физические величины, такие как температура, кровяное давление, влажность, скорость и т.д., в электрический сигнал, который может быть измерен и количественно оценен, что, в свою очередь, может быть использовано для расчета величины физического возмущения, которое сгенерировало сигнал.

Аналогично, датчики для носимых устройств могут оптимизировать ряд важных действий, таких как медицинские диагнозы. Повышенные требования к производительности и безопасности сделали датчики полезными в большем количестве потребительской электроники, личных предметах, таких как одежда, и промышленных средствах индивидуальной защиты. Биомедицинские датчики полезны не только для медицинских диагнозов или мониторинга; они нашли применение в сельском хозяйстве, личной фитнес-программе, производстве и любой другой области, где человек может работать в опасной среде.

Что такое сеть датчиков?

Сеть датчиков состоит из группы маленьких, обычно работающих от батареи устройств с беспроводной связью, которые отслеживают, измеряют и записывают изменения в ряде физических явлений. Сеть датчиков может использоваться для экологического/геологического мониторинга, мониторинга здоровья, ведения журнала данных, обнаружения угроз и мониторинга промышленного оборудования.

Отдельные носимые датчики и сети датчиков могут подключаться к Интернету, корпоративной WAN или LAN, или специализированной промышленной сети, так что собранные данные могут быть переданы в бэк-энд системы для анализа. Эти устройства должны быть спроектированы с определенной топологией (обычно меш или звезда), хотя это не ограничивает тип датчиков, которые могут быть использованы в каждом узле сети.

В медицинской сфере, несколько датчиков, размещенных на человеческом теле, позволяют одновременно мониторить несколько жизненно важных показателей в топологии звезды, и данные могут быть беспроводным образом отправлены обратно на базовую станцию для сбора и анализа. В производстве и других опасных средах биомедицинские мониторы и датчики окружающей среды на работниках могут быть подключены в топологии звезды или меш, что помогает обеспечить безопасность работников, расширяя при этом рабочий диапазон сети на большую площадь.

Существует несколько типов датчиков и контроллеров, доступных для использования в новых продуктах. Независимо от того, какой тип датчика вы используете для вашего следующего продукта, или как устройство подключается к другим узлам датчиков, вам нужно будет выбрать подходящий контроллер и компоненты обработки сигналов для вашего продукта.

Обработка сигналов для медицинских носимых датчиков

Успех медицинских носимых устройств во многом зависит от интеграции датчиков с алгоритмами обработки в форм-фактор, который позволяет медицинским работникам сосредоточиться на мониторинге хронических заболеваний и улучшении результатов для пациентов. В настоящее время эти устройства могут обеспечивать непрерывный сбор данных о множестве жизненно важных показателей. По мере продолжения исследований и разработок в области носимых устройств мы можем только представлять себе достижения, которые еще предстоит испытать в сфере цифрового здравоохранения.

Analog Devices, AD8233ACBZ-R7CT-ND

Носимые электроды обычно размещаются на коже для точного измерения электрических импульсов от сердца. Были зафиксированы значительные улучшения в интеграции медицинской одежды с датчиками, но интеграция настолько надежна, что одежду можно стирать без необходимости снимать датчики. В качестве примера, носимые электроды используются для обеспечения медицинских работников постоянными данными ЭЭГ, ЭКГ или даже ЭМГ на протяжении длительного времени.

Блок обработки биопотенциальных сигналов AD8233ACBZ-R7CT-ND от Analog Devices обеспечивает точную фильтрацию измерений биопотенциалов в компактном форм-факторе. Этот ИС монтируется на 20-шариковый BGA с пакетом WLCSP, поэтому он все еще достаточно мал, чтобы его можно было упаковать в носимое устройство, которое взаимодействует с двумя или тремя носимыми электродами. Он имеет отличное подавление шума общего режима на 80 дБ с высоким усилением сигнала.

AD8233 включает функцию быстрого восстановления, которая сокращает продолжительность иначе длительных хвостов установления высокочастотных фильтров. После резкого изменения сигнала, которое выводит усилитель из строя (например, при отключении электродов), AD8233 автоматически переходит на более высокую частоту среза фильтра. Эта функция позволяет AD8233 быстро восстанавливаться и, следовательно, проводить действительные измерения вскоре после подключения электродов к объекту.

Отпечаток и блок-схема контроллера AD8233ACBZ-R7CT-ND из технического описания AD8233

Maxim Integrated, MAX86150

Биохимические и биопотенциальные датчики, как правило, являются наиболее распространенным типом датчиков в медицинских носимых устройствах. Носимое устройство для химического анализа может использоваться в качестве диагностического инструмента для выявления химических дисбалансов, поглощения или усвоения токсичных веществ, заболеваний, таких как множественная химическая чувствительность (MCS), и других связанных с химией недугов.

Сенсорный массив MAX86150 обеспечивает интегрированные измерения фотоплетизмограммы и электрокардиограммы для мобильного мониторинга здоровья в носимом устройстве. Этот модуль с низким энергопотреблением (напряжение питания 1,8 В) идеально подходит для носимых приложений. Он также поддерживает двунаправленную связь с другими устройствами через I2C, что делает его идеальным для использования в беспроводных носимых медицинских устройствах. Это устройство красиво интегрирует обработку данных и стандартные биомедицинские датчики в один пакет. Оно даже включает функцию близости:

MAX86150 включает функцию близости для экономии энергии и снижения видимого светового излучения, когда палец пользователя не находится на датчике... Когда инициируется функция SpO2 или HR, ИК светодиод включается в режиме близости с током привода, установленным в регистре PILOT_PA.

Блок-схема типичного носимого биомедицинского устройства из спецификации MAX86150

Контроллеры для носимых датчиков и сетей датчиков

Носимые устройства и узлы в сетях датчиков по сути являются маленькими встроенными устройствами. После получения и обработки аналогового сигнала его необходимо преобразовать в цифровые данные, которые могут быть переданы по беспроводной сети или легко взаимодействовать с другими компонентами в носимом устройстве. Это обычно делается с помощью микроконтроллера, хотя при желании можно использовать ASIC.

Важным фактором при выборе контроллера для носимого устройства является энергопотребление. Минимизация энергопотребления имеет решающее значение, поскольку носимые устройства и узлы в сети датчиков обычно питаются от батареи. Любой микроконтроллер, используемый в носимом датчике, должен быть энергоэффективным. Другим важным фактором является срок службы используемой в устройстве батареи. Также следует учитывать функциональность входных и выходных компонентов. Использование микроконтроллера, который может входить в режим сна в автоматическом или полуавтоматическом режиме, является отличным выбором для устройств с носимыми датчиками или в узлах беспроводной сети датчиков.

Microchip, ATSAME53J19A-AU

MCU ATSAME53J19A-AU от Microchip обеспечивает низкое энергопотребление по сравнению с другими микроконтроллерами в своем классе. Этот высокоэффективный контроллер идеально подходит для использования в батарейных носимых устройствах. Он имеет функцию Sleep/Walking, которая позволяет периферийным устройствам асинхронно просыпаться из режима сна в режиме ULP1. Обратите внимание, что эта функциональность не ограничивается медицинскими носимыми датчиками: она также может быть использована для обработки данных в сетях экологических датчиков.

Микроконтроллер Microchip ATSAME53J19A

Microchip, AR1010 MCU

В большинстве носимых устройств экран является основным элементом ввода и вывода. Другие устройства имеют другие способы предоставления информации потребителю через пользовательский интерфейс, такие как сенсорные панели, кнопки и иногда датчики движения. Экран по-прежнему остается одним из наиболее эффективных средств общения с пользователем. Здесь использование микроконтроллера с подходящей прошивкой может сэкономить дизайнеру значительное количество времени при создании нового продукта.

Контроллер сенсорного экрана на основе резистивной технологии Microchip mTouch^® серии AR1000 - это универсальный чип контроллера сенсорного экрана, простой в интеграции, бюджетный и универсальный. Прошивка в контроллере AR1010 включает алгоритмы декодирования сенсорного экрана для обработки данных касания. Эта особенность исключает необходимость вручную реализовывать алгоритм декодирования и дает дизайнеру больше гибкости. Также он обеспечивает отличные возможности фильтрации по сравнению с другими недорогими устройствами. Это делает AR1000 способным предоставлять аутентифицированные, надежные и калиброванные координаты касания.

Микроконтроллер Microchip AR1010

Использование правильной комбинации встроенной обработки и точных датчиков может обеспечить точный сбор данных при поддержке графического дисплея на сенсорном экране. Устройства, которые мы здесь представили, это лишь часть доступных вариантов датчиков для использования в носимых устройствах и сетях датчиков. В области носимых датчиков многие интегральные схемы, которые могут взаимодействовать с сенсорным экраном и несколькими датчиками, упакованы на оценочных платах, давая вам некоторую свободу для создания прототипа вашего следующего носимого продукта.

Мы надеемся, что вы нашли эту статью полезной! Если вы хотите получать подобный контент на свой почтовый ящик, подпишитесь на нашу ежемесячную рассылку!