Elektronika noszona otwiera się na medycynę

| Technika

Nasycenie krwi tlenem, elektrokardiografia, ciśnienie krwi, częstość oddechów to pomiary, które kiedyś były domeną klinicznego sprzętu monitorującego. Monitorowanie tych parametrów ma kluczowe znaczenie dla osób chorych i starszych. Wraz ze wzrostem starzenia się społeczeństwa dostęp do domowych systemów monitorowania medycznego stał się ważną potrzebą społeczną. Wszystkie takie urządzenia monitorujące mają te same wymagania: muszą być dokładne, małe i działać przez długi czas od jednego ładowania akumulatora. Aby wesprzeć ten trend, opracowano nową rodzinę analogowych interfejsów biomedycznych na pojedynczym chipie.

Elektronika noszona otwiera się na medycynę

ADPD4000

Na rynku istnieje wiele urządzeń medycznych wieloparametrowych, czyli takich, które łączą dwa lub więcej pomiarów, np. monitory tętna z czujnikami ruchu do śledzenia aktywności, monitorowania stresu lub analizy snu. W większości przypadków każdy pomiar jest w nich wykonywany przez oddzielny analogowy interfejs, w wyniku czego do realizacji hardware niezbędnych jest kilka układów scalonych, każdy z własnym przetwornikiem analogowo-cyfrowym, interfejsem do głównego procesora oraz kilkoma zasilaczami i napięciami odniesienia. Powoduje to komplikację i wzrost kosztów, a także wzrost zajmowanego miejsca i pobieranej mocy. Najlepsze dla elektroniki noszonej zawsze jest rozwiązanie jednochipowe, jak ADPD4000. Rysunek 1 pokazuje schemat blokowy tego układu. Głowica wejściowa (AFE, analog front end) zawiera dwa identyczne kanały pomiarowe, które pozwalają na jednoczesne próbkowanie sygnału. Każdy kanał ma transimpedancyjny wzmacniacz różnicowy z programowalnym wzmocnieniem, co umożliwia pomiary dla czujników z wyjściem symetrycznym lub niesymetrycznym. Następnie jest filtr pasmowoprzepustowy i układ całkujący, a dalej 14-bitowy aproksymacyjny ADC (SAR) o maksymalnej częstotliwości próbkowania 1 MSps. Przed każdym z torów sygnałowych znajduje się 8-kanałowy multiplekser, który zapewnia elastyczność w podłączaniu różnych czujników do AFE.

 
Rys. 1. Schemat blokowy układów ADPD4000

Obwód AFE może współpracować z fotoelementem, aby zmierzyć tętno lub nasycenie tlenem. W tym trybie mierzy się fotoprąd, dlatego potrzebny jest stopień wejściowy o wysokiej impedancji, aby przekształcić go w napięcie. Innym przykładem jest pomiar sygnałów biopotencjalnych z elektrokardiogramu (EKG) lub czujników EMG. Wymaga to odbierania sygnału z czujnika oraz dostarczania bodźców. Trzeba w tym przypadku skonfigurować wyjścia do sterowania diodami LED, układu wzbudzenia do pomiaru impedancji skóry i mierzyć tę impedancję w odpowiedzi na pobudzenie.

Omawiany układ pozwala zaprogramować każdą taką konfigurację i dokonywać pomiarów w określonym przedziale czasowym. Obsługiwane jest do 12 interwałów czasowych, co czyni ten chip bardzo łatwym w użyciu po jego skonfigurowaniu. Ponadto ADPD4000 nie wymaga dodatkowych zasobów procesora, co pomaga utrzymać ogólne zużycie energii w systemie na minimalnym poziomie. Przeliczanie danych i ich uśrednianie, np. po to, aby poprawić efektywną liczbę bitów (ENOB) przetwornika, nie musi być dokonywane przez mikrokontroler. Cyfrowe dane mają 32-bitową reprezentację, a wyniki pomiarów mogą być przechowywane w 256-bajtowej lub 512-bajtowej pamięci FIFO (ADPD400x vs. ADPD410x).

 
Rys. 2. Jednoczesny pomiar EKG i PPG w celu oszacowania ciśnienia krwi

Warto dodać o zintegrowanej funkcji znacznika czasu, która wspiera synchronizację próbek danych z kilku podłączonych czujników. Jest to wymagane do wykorzystania informacji z wielu czujników w celu znalezienia korelacji między różnymi wynikami pomiarów. Rysunek 2 pokazuje, jak można to wykorzystać do pomiaru EKG zsynchronizowanego z pomiarem fotopletyzmografii (PPG). W oparciu o pomiar czasu przejścia impulsu (PPT) można mierzyć ciśnienie krwi w trybie ciągłym. Jest to bardzo atrakcyjne dla osób z nadciśnieniem tętniczym. Umożliwia to właśnie funkcja znacznika czasu.

Rysunek 3a pokazuje natomiast, w jaki sposób można obsługiwać interwały pomiarowe. Każda szczelina czasowa rozpoczyna się od impulsu warunkowe go, po którym następuje impuls bodźca, a na koniec prąd lub sygnał fotodiody z innego sygnału czujnika jest próbkowany przez ADC. Rysunek 3b pokazuje przykład sekwencji działań. Po włączeniu zasilania i resecie układ przechodzi w tryb uśpienia. Po wybudzeniu można kolejno próbkować dwa sygnały EKG (na przykład LEAD I i LEAD II), a następnie wykonać pomiar w kanale optycznym w celu odczytu SpO2 oraz pomiar impedancji w celu określenia przewodności skóry (EDA/naprężenie).

 
Rys. 3. Przykład działania szczeliny czasowej i sekwencji pomiarowej w ADPD4000

Pomiar EKG staje się o wiele łatwiejszy

EKG to badanie polegające na pomiarze sygnału elektrycznego generowanego przez ludzkie serce z powodu depolaryzacji i repolaryzacji mięśnia sercowego przy każdym uderzeniu. Sygnał ma amplitudę od 0,5–4 mV i jest mierzony w paśmie 0,05–40 Hz. Przebieg EKG można wykorzystać jako miarę wydajności serca lub ostrzeżenie o migotaniu komór, arytmii itp. Aby monitorować aktywność serca, w zastosowaniach pozaszpitalnych stosuje się suche elektrody, które są wygodniejsze, ale dają mniej dokładny odczyt.

 
Rys. 4. Przebiegi EKG zmierzone za pomocą dwóch różnych elektrod

ADPD4000 jest w stanie zapewnić dokładny pomiar pomimo użycia suchej elektrody. Zamiast pomiaru napięcia obwód EKG mierzy ładunek elektryczny zgromadzony na kondensatorze czujnikowym. Dzięki sprzężeniu przez sieć RC wyeliminowano zmiany impedancji kontaktowej elektrody (rys. 4).

Rysunek 4 pokazuje dwa przebiegi EKG. Niebieski przebieg został zmierzony za pomocą dobrej jakości elektrody o impedancji szeregowej 51 kΩ i pojemności 47 nF. Czerwony przebieg za pomocą słabej jakości elektrody o wysokiej impedancji szeregowej 510 kΩ i pojemności 4,7 nF. ADPD4000 mierzy oba przebiegi niemal identycznie, niezależnie od jakości elektrody. Jest to ogromna przewaga tego interfejsu w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami dostępnymi na rynku. Dodatkową zaletą jest to, że obwód ten jest wyjątkowo energooszczędny (150–200 μW), ponieważ nie musi być aktywny podczas rejestrowania sygnału EKG na kondensatorze.

PPG i pomiary bioimpedancji

Do pomiarów optycznych i bioimpedancji wymagane są LED-y do emisji promieniowania i obwody wzbudzania prądu w ciele. Co więcej, w wielu systemach optycznych stosowana jest więcej niż jedna długość fali, co sprawia, że wszechstronność używanego sterownika jest wysoce pożądana. ADPD4000 ma osiem kanałów wyjściowych, w których cztery mogą być używane jednocześnie z programowalnym prądem wyjściowym do 200 mA na kanał lub 400 mA dla całego sterownika. W zależności od konfiguracji można obsługiwać wiele przedziałów czasowych, z których każdy ma własne parametry fali optycznej do pomiaru, na przykład, częstości akcji serca, SpO2, nawodnienia lub odwodnienia. Każdy kanał sygnału odbiorczego ma programowalny wzmacniacz transimpedancyjny, a następnie dwustopniowy blok eliminacji zakłóceń od światła otoczenia. Stosunek sygnału do szumu (SNR) między nadawaniem i odbiorem wynosi do 100 dB, dzięki czemu ADPD41xx jest przydatny we wrażliwych na szum pomiarach metodą optyczną, jak stopień nasycenia tlenem lub wartość ciśnienia krwi. Zużycie energii przez układ optyczny w dużej mierze zależy od konfiguracji systemu, takiej jak częstotliwość próbkowania i typ użytego LED-a, a także odcienia skóry użytkownika.

Wiele aplikacji elektroniki noszonej może również mierzyć przewodnictwo skóry do oceny stresu lub monitorowania napięcia psychicznego. Do tego celu konieczny jest prąd wzbudzenia, umożliwiający pomiar spadku napięcia. ADPD4000 obsługuje także ten przypadek i daje możliwość skonfigurowania w trybie pomiaru 2- lub 4-przewodowym. Funkcja pomiaru impedancji może być również używana do pomiaru jakości elektrody lub do wykrywania jej oderwania.

Ponieważ ADPD4xxx ma 8-kanałowy multiplekser, może również obsługiwać wejścia pomocnicze do pomiaru napięcia, pojemności, temperatury lub czujników ruchu.

 

Jan-Hein Broeders

Healthcare Business Development Manager, Analog Devices

 

Arrow Electronics Poland
www.arrow.com
tel. 22 558 82 66

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie