Bộ điều khiển cho Cảm biến và Thiết bị Đeo Y tế

Tương lai của cảm biến và mạng lưới cảm biến, cũng như ứng dụng của chúng trong điện tử tiêu dùng, y học, và thiết bị điện tử trong công nghiệp, đã trở thành một vấn đề nóng hổi. Nhu cầu tăng cao đối với cảm biến đeo được có thể hình thành thành mạng lưới cảm biến cho phép thông tin được thu thập nhanh chóng trên quy mô lớn.

Cảm biến cơ bản là những thiết bị được sử dụng để tạo ra tín hiệu điện tử phản ứng với sự thay đổi vật lý trong môi trường xung quanh. Một cảm biến chuyển đổi các đại lượng vật lý như nhiệt độ, huyết áp, độ ẩm, tốc độ, v.v. thành tín hiệu điện tử có thể được đo lường và định lượng, từ đó có thể sử dụng để tính toán độ lớn của sự nhiễu loạn vật lý đã tạo ra tín hiệu.

Tương tự, cảm biến cho thiết bị đeo có thể tối ưu hóa một số hoạt động quan trọng, như chẩn đoán y khoa. Nhu cầu về năng suất và an toàn cao hơn đã làm cho cảm biến trở nên hữu ích trong nhiều thiết bị điện tử tiêu dùng, đồ dùng cá nhân như quần áo, và PPE công nghiệp. Cảm biến y sinh học hữu ích không chỉ trong chẩn đoán hoặc theo dõi y tế; chúng đã trở nên áp dụng trong nông nghiệp, thể dục cá nhân, sản xuất, và bất kỳ lĩnh vực nào khác nơi một người có thể làm việc trong môi trường nguy hiểm.

Mạng lưới cảm biến là gì?

Một mạng lưới cảm biến bao gồm một nhóm các thiết bị nhỏ, thường được cung cấp năng lượng bằng pin với khả năng kết nối không dây, giám sát, đo lường và ghi lại sự thay đổi trong một số hiện tượng vật lý. Mạng lưới cảm biến có thể được sử dụng cho cảm biến môi trường/địa chất, theo dõi chăm sóc sức khỏe, ghi dữ liệu, phát hiện mối đe dọa, và giám sát thiết bị công nghiệp.

Các cảm biến đeo cá nhân và mạng lưới cảm biến có thể kết nối với Internet, một mạng WAN hoặc LAN doanh nghiệp, hoặc một mạng công nghiệp chuyên biệt để dữ liệu thu thập được có thể được truyền đến hệ thống phía sau để phân tích. Những thiết bị này phải được thiết kế với một cấu trúc cụ thể (thường là cấu trúc lưới hoặc sao), mặc dù điều này không hạn chế loại cảm biến có thể được sử dụng trong mỗi nút của mạng.

Trong lĩnh vực y tế, nhiều cảm biến đặt trên cơ thể con người cho phép theo dõi đồng thời nhiều dấu hiệu sống quan trọng trong một cấu trúc sao, và dữ liệu có thể được gửi trở lại trạm cơ sở không dây để thu thập và phân tích. Trong sản xuất và các môi trường nguy hiểm khác, các màn hình sinh học và cảm biến môi trường trên người lao động có thể được kết nối trong một cấu trúc sao hoặc lưới, giúp đảm bảo an toàn cho người lao động trong khi mở rộng phạm vi sử dụng của mạng trên một khu vực lớn hơn.

Có nhiều loại cảm biến và bộ điều khiển có sẵn để sử dụng trong các sản phẩm mới. Dù bạn sử dụng loại cảm biến nào cho sản phẩm tiếp theo của mình, hoặc thiết bị kết nối với các nút cảm biến khác như thế nào, bạn sẽ cần chọn đúng bộ điều khiển và thành phần xử lý tín hiệu cho sản phẩm của mình.

Xử lý Tín hiệu cho Cảm biến Đeo Y tế

Sự thành công của các thiết bị đeo y tế chủ yếu dựa vào việc tích hợp cảm biến với các thuật toán xử lý vào một hình thức đeo được cho phép các chuyên gia y tế tập trung vào việc theo dõi các bệnh mãn tính và cải thiện kết quả cho bệnh nhân. Hiện nay, những thiết bị này có thể cung cấp việc thu thập dữ liệu liên tục của nhiều dấu hiệu sống quan trọng. Khi nghiên cứu và phát triển các thiết bị đeo tiếp tục tiến triển, chúng ta chỉ có thể tưởng tượng những tiến bộ mà chưa được trải nghiệm trong lĩnh vực sức khỏe số.

Analog Devices, AD8233ACBZ-R7CT-ND

Các điện cực đeo thường được đặt trên da để đo chính xác các xung điện từ tim. Những cải tiến lớn đã được ghi nhận trong việc tích hợp quần áo y tế đeo được, nhưng việc tích hợp được bảo vệ tốt đến mức quần áo có thể được giặt mà không cần tháo cảm biến. Ví dụ, các điện cực đeo được sử dụng để cung cấp cho các nhà y tế một EEG, EKG, hoặc thậm chí là EMG liên tục trong một thời gian dài.

Khối xử lý tín hiệu sinh học AD8233ACBZ-R7CT-N từ Analog Devices cung cấp việc lọc chính xác các phép đo sinh học trong một hình thức nhỏ gọn. IC này được gắn trên một BGA 20-ball với gói WLCSP, vì vậy nó vẫn đủ nhỏ để có thể được đóng gói trong một thiết bị đeo liên kết với hai hoặc ba điện cực đeo. Nó có khả năng loại bỏ tiếng ồn chung xuất sắc 80 dB với độ lợi tín hiệu cao.

AD8233 bao gồm một chức năng khôi phục nhanh giúp giảm thời gian của các đuôi lắng đọng dài khác thường của các bộ lọc thông cao. Sau một sự thay đổi tín hiệu đột ngột làm cho bộ khuếch đại bị đầy (như tình trạng rời điện cực), AD8233 tự động điều chỉnh sang một cắt lọc cao hơn. Tính năng này cho phép AD8233 phục hồi nhanh chóng, và do đó, có thể thực hiện các phép đo hợp lệ ngay sau khi kết nối các điện cực với đối tượng.

Dấu chân và sơ đồ khối của bộ điều khiển AD8233ACBZ-R7CT-ND từ bảng dữ liệu AD8233

Maxim Integrated, MAX86150

Các cảm biến sinh hóa và sinh tiềm năng có xu hướng là loại cảm biến phổ biến nhất trong thiết bị đeo y tế. Một thiết bị đeo cảm biến hóa học có thể được sử dụng như một công cụ chẩn đoán cho sự mất cân bằng hóa chất, việc tiêu thụ hoặc hấp thụ chất độc, bệnh như nhạy cảm hóa học đa dạng (MCS), và các bệnh liên quan đến hóa chất khác.

Mảng cảm biến MAX86150 cung cấp các phép đo photoplethysmogram và electrocardiogram tích hợp cho việc theo dõi sức khỏe di động trong một thiết bị đeo được. Mô-đun công suất thấp này (điện áp cung cấp 1.8 V) là lý tưởng cho các ứng dụng đeo được. Nó cũng hỗ trợ giao tiếp hai chiều với các thiết bị khác qua I2C, làm cho nó lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị y tế đeo được không dây. Thiết bị này tích hợp đẹp mắt việc xử lý dữ liệu và các cảm biến sinh học tiêu chuẩn vào một gói duy nhất. Nó thậm chí bao gồm một chức năng cảm biến gần:

MAX86150 bao gồm một chức năng cảm biến gần để tiết kiệm năng lượng và giảm phát xạ ánh sáng nhìn thấy khi ngón tay của người dùng không đặt trên cảm biến...Khi chức năng SpO2 hoặc HR được khởi động, đèn LED hồng ngoại được bật ở chế độ cảm biến gần với dòng điện điều khiển được thiết lập bởi bộ đăng ký PILOT_PA.

Sơ đồ khối cho một thiết bị sinh học đeo được điển hình từ bảng dữ liệu MAX86150

Bộ điều khiển cho Cảm biến Đeo được và Mạng lưới Cảm biến

Các thiết bị đeo được và nút trong mạng lưới cảm biến về cơ bản là các thiết bị nhúng nhỏ. Sau khi tín hiệu analog được thu thập và xử lý, nó phải được chuyển đổi thành dữ liệu số để có thể truyền qua mạng không dây hoặc dễ dàng kết nối với các thành phần khác trong thiết bị đeo được. Điều này thường được thực hiện với một vi điều khiển, mặc dù ASIC có thể được sử dụng nếu mong muốn.

Một yếu tố quan trọng cần xem xét khi chọn bộ điều khiển cho một thiết bị đeo được là tiêu thụ năng lượng. Việc giảm thiểu tiêu thụ năng lượng là cần thiết vì các thiết bị đeo và nút trong mạng lưới cảm biến thường được cung cấp năng lượng bằng pin. Bất kỳ vi điều khiển nào được sử dụng trong cảm biến đeo được nên tiết kiệm năng lượng. Một yếu tố khác cần xem xét là tuổi thọ của pin được sử dụng trong thiết bị. Chức năng của các thành phần đầu vào và đầu ra cũng nên được xem xét. Sử dụng một vi điều khiển có thể chuyển vào chế độ ngủ một cách tự động hoặc bán tự động là một lựa chọn tuyệt vời cho các thiết bị với cảm biến đeo được hoặc trong các nút mạng lưới cảm biến không dây.

Microchip, ATSAME53J19A-AU

Vi điều khiển ATSAME53J19A-AU từ Microchip cung cấp tiêu thụ năng lượng thấp khi so sánh với các vi điều khiển khác trong cùng loại. Bộ điều khiển tiết kiệm năng lượng cao cấp này lý tưởng cho việc sử dụng trong các thiết bị đeo được hoạt động bằng pin. Nó có tính năng Sleep/Walking cho phép các thiết bị ngoại vi tự động thức dậy từ chế độ ngủ trong chế độ ULP1. Lưu ý rằng chức năng này không giới hạn ở cảm biến y tế đeo được: nó cũng có thể được sử dụng cho việc xử lý dữ liệu trong mạng lưới của các cảm biến môi trường.

Vi điều khiển Microchip ATSAME53J19A

Microchip, AR1010 MCU

Trong hầu hết các thiết bị đeo được, màn hình hiển thị là phần tử đầu vào và đầu ra chính. Các thiết bị khác có những cách khác nhau để cung cấp thông tin cho người tiêu dùng thông qua giao diện người dùng, như bảng cảm ứng, nút bấm và đôi khi là cảm biến chuyển động. Màn hình hiển thị vẫn là một trong những phương tiện hiệu quả nhất để giao tiếp với người dùng. Đây là nơi sử dụng một vi điều khiển với firmware phù hợp có thể giúp nhà thiết kế tiết kiệm một lượng thời gian đáng kể khi tạo ra một sản phẩm mới.

Microchip mTouch^® AR1000 Series Resistive Touch Screen Controller là một chip điều khiển màn hình cảm ứng đa năng, dễ tích hợp, tiết kiệm chi phí và phổ quát. Firmware trong bộ điều khiển AR1010 bao gồm các thuật toán giải mã cảm ứng màn hình để xử lý dữ liệu cảm ứng. Tính năng đặc biệt này loại bỏ nhu cầu phải thực hiện thủ công một thuật toán giải mã và mang lại cho nhà thiết kế nhiều sự linh hoạt hơn. Nó cũng cung cấp khả năng lọc xuất sắc khi so sánh với các thiết bị giá rẻ khác. Điều này khiến AR1000 cung cấp tọa độ cảm ứng được xác thực, đáng tin cậy và đã được hiệu chỉnh.

Vi điều khiển Microchip AR1010

Sử dụng sự kết hợp đúng đắn của xử lý nhúng và cảm biến chính xác có thể đảm bảo thu thập dữ liệu chính xác trong khi hỗ trợ hiển thị đồ họa trên màn hình cảm ứng. Các thiết bị mà chúng tôi đã trình bày ở đây chỉ là một phần của các lựa chọn cảm biến có sẵn để sử dụng trong các thiết bị đeo và mạng cảm biến. Trong lĩnh vực cảm biến đeo được, nhiều IC có thể giao tiếp với màn hình cảm ứng và nhiều cảm biến khác được đóng gói trên các bảng đánh giá, mang lại cho bạn một số mức độ tự do để tạo mẫu sản phẩm đeo được tiếp theo của bạn.

Chúng tôi hy vọng bạn thấy bài viết này hữu ích! Nếu bạn muốn có nội dung như thế này được gửi đến hộp thư của mình, đăng ký nhận bản tin hàng tháng của chúng tôi!