Rynek elektroniki noszonej przyjmuje wszechstronny układ biomedyczny

Nasycenie tlenem krwi, elektrokardiografia, ciśnienie krwi i częstość oddechów - to wszystko pomiary, które kiedyś ograniczone były do sprzętu szpitalnego. Monitorowanie tych parametrów ma kluczowe znaczenie, szczególnie dla osób z będących w grupach ryzyka różnych chorób, po wypadku lub operacji albo też ze zdiagnozowaną poważną chorobą. Wraz ze starzeniem się społeczeństwa i coraz silniejszymi obawami dotyczącymi ogólnych wydatków na zdrowie, dostęp do monitorowania medycznego poza szpitalami stał się coraz istotniejszym trendem. Dzięki temu potencjalnie zagrożeni pacjenci są monitorowani podczas ich codziennego życia. Pozwala to wykryć pewne zdarzenia wcześniej, skrócić czas hospitalizacji, a w konsekwencji umożliwić szybsze i wygodniejsze wyzdrowienie. Pomiary tych parametrów mają także istotne znaczenie dla trzeciej grupy użytkowników – osób, które mierzą te parametry w celu zapobiegania chorobom, nawet przed jakimikolwiek diagnozami.

Wszystkim monitorom wieloparametrowym stawia się te same wymagania: muszą być dokładne, małe i działać przez długi czas pomiędzy ładowaniami akumulatorów lub wymianą baterii. Firma Analog Devices, by wesprzeć projektantów takich urządzeń, stworzyła nową rodzinę analogowych interfejsów biomedycznych (tzw. front-endów, AFE) zintegrowanych w jednym układzie scalonym.

ADPD4000 - krótki przegląd

Na rynku istnieje wiele systemów wieloparametrowych, które łączą w sobie dwa lub więcej systemów pomiarowych. Przykładem mogą być na przykład monitory tętna, które działają w połączeniu z czujnikami ruchu, celem śledzenia aktywności fizycznej lub zmienności tętna. Łączone są one często np. z systemami do pomiarów impedancji, co wykorzystywane jest z kolei w urządzeniach do monitorowania stresu czy analizy jakości snu. W większości przypadków każdy pomiar jest wykonywany przez dedykowany analogowy interfejs, w wyniku czego konieczne jest zintegrowanie w układzie kilku układów scalonych, każdy z własnym przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC), własnym interfejsem do głównego procesora oraz często kilkoma liniami zasilania i napięciami odniesienia, które trzeba podłączyć do układu. Powoduje to, że w układzie pojawia się wiele zbędnych elementów składowych, co nie jest optymalne z systemowego punktu widzenia i powoduje niepotrzebne zwiększenie wielkości i pobieranej mocy urządzenia. W systemie elektroniki noszonej ciężko wyobrazić sobie prostszą architekturę układu niż tylko jeden główny tor sygnałowy, do którego można podłączyć każdy czujnik. Nowa rodzina biomedycznych front-endów ADPD4000 wypełnia tę lukę na rynku. Rysunek 1 pokazuje schemat blokowy wysokiego poziomu dla układów z rodziny ADPD4xxx. Front-end ten został zaprojektowany z dwoma identycznymi kanałami odbiorczymi, które mogą jednocześnie próbkować sygnały wejściowe. Każdy kanał jest zbudowany w różny sposób, co umożliwia pomiar z wykorzystaniem dowolnego czujnika, pracującego w trybie różnicowym lub asymetryczny. Stopniem wejściowym układu jest wzmacniacz transimpedancyjny z programowalnym wzmocnieniem. Za nim znajduje się filtr pasmowoprzepustowy oraz układ całkujący (integrator), który może całkować ładunki tak małe jak 7,5 pC na próbkę. Za tymi elementami umieszczono 14-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy o sukcesywnej aproksymacji (SAR) o częstotliwości próbkowania do 1 MHz. Dodatkowo, przed wejściem do każdego z torów pomiarowych znajduje się 8-kanałowy multiplekser, który zapewnia analogowemu front-endowi elastyczność w kierowaniu różnych sygnałów z czujników do wejść AFE.

Za pomocą opisywanego układu można mierzyć różne sygnały, jak pokazano na rysunku 1. Można zmodyfikować AFE do działania z sensorami optycznymi, na przykład w systemach do pomiaru tętna lub nasycenia krwi tlenem z pomocą metod optycznych. W tym trybie układ mierzy fotoprąd, dlatego potrzebny jest stopień wejściowy o wysokiej transimpedancji, aby przekształcić niewielki prąd w mierzalne przez ADC napięcie. Trzeba także usunąć z sygnału zakłócenia pochodzące od światła z otoczenia. Innym przykładem zastosowania omawianego AFE jest pomiar biopotencjałów z elektrokardiogramu (EKG) lub czujników EMG. Wymaga to nieco innej konfiguracji łańcucha sygnałowego na wejściu systemu i wymaga rekonfiguracji ustawień interfejsu użytkownika.

Oprócz zintegrowanego toru sygnałowego dla sensorów biomedycznych, układ ten posiada również osiem sterowników wyjściowych, które można wykorzystać do dostarczania bodźców do pacjenta czy ustroju pomiarowego. Można skonfigurować jedno lub więcej z tych wyjść do sterowania np. diodami LED do pomiaru optycznego, a jedno (lub więcej) wyjść sterownika może być użyte jako źródło wzbudzenia do pomiaru impedancji ciała lub skóry (do pomiaru aktywności elektrodermalnej - EDA) lub impedancji samej elektrody (co wpływa na jakość pomiaru – takie rozwiązanie umożliwia prostą autokalibrację całego systemu).

Omawiany chip pozwala użytkownikowi wstępnie zaprogramować w układzie każdą opisaną konfigurację lub prowadzić pomiar w określonym przedziale czasowym (slocie). Obsługuje do 12 przedziałów czasowych, co czyni system bardzo łatwym w użyciu po jego skonfigurowaniu. Ponadto układ ten nie wymaga żadnych dodatkowych zasobów procesora do prowadzenia pomiarów, co pomaga utrzymać ogólne zużycie energii w systemie na minimalnym poziomie. Układ ten pozwala przeliczyć i uśrednić pomiary, aby poprawić efektywną liczbę bitów (ENOB) przetwornika ADC. Zdecymowana wartość pomiaru ma szerokość aż 32 bitów. Wyniki pomiarów mogą być przechowywane w 256-bajtowej lub 512-bajtowej głębokości kolejce FIFO (ADPD400x vs. ADPD410x).



Rysunek 3a pokazuje, w jaki sposób można obsługiwać przedziały czasowe za pomocą tego układu. Każdy time slot rozpoczyna się od impulsu warunkowego, po którym następuje impuls bodźca, a na koniec zbierany jest prąd lub sygnał z fotodiody albo sygnał innego czujnika próbkowanego przez ADC w AFE.

Rysunek 3b pokazuje z kolei przykład sekwencji operacji działania tego interfejsu analogowego. Po włączeniu zasilania, a następnie operacji resetowania systemu, układ przechodzi w tryb uśpienia. Po wybudzeniu go układu można kolejno próbkować dwa sygnały EKG (na przykład elektrody LEAD I i LEAD II), a następnie wykonać pomiar optyczny w celu wykonania odczytu SpO2 (saturacji) i pomiar impedancji w celu uzyskania wartości przewodności skóry (EDA/naprężenie). Procedura uzyskiwania każdego z tych pomiarów zostanie wyjaśniona w następnym rozdziale.



Pomiar EKG staje się o wiele łatwiejszy

EKG jest pomiarem polegającym na mierzeniu sygnału elektrycznego generowanego przez ludzkie serce w czasie depolaryzacji i repolaryzacji mięśnia sercowego, co ma miejsce przy każdym uderzeniu serca. Sygnał ten ma zwykle amplitudę od 0,5 mV do 4 mV i jest mierzony w zakresie częstotliwości od 0,05 Hz do 40 Hz. EKG można wykonać wyłącznie w celu pomiaru częstości akcji serca, ale w wielu przypadkach bardziej interesuje nas dokładniejszy przebieg tego biopotencjału, który można wykorzystać m.in. jako miarę wydajności serca lub ostrzeżenie o potencjalnym problemie zdrowotnym z tym organem – wykrywać można migotanie tętnic czy ciągłe nadciśnienie. Możliwe jest monitorowanie aktywności serca, przyczepiając elektrody do skóry. Aby zagwarantować dobry kontakt elektryczny z ciałem w zastosowaniach diagnostycznych, zwykle stosuje się tzw. mokre elektrody. Najpopularniejsze są elektrody srebrno-chlorkowo-srebrowe (Ag/AgCl). W zastosowaniach pozaszpitalnych elektrody te są niestety bardzo niewygodne i mogą łatwo wysuszyć się lub zacząć podrażniać skórę. Dlatego w zastosowaniach elektroniki noszonej najczęściej stosuje się elektrody suche, które jednakże zapewniają gorszy kontakt ze skórą, a dodatkowo elektrody takie są bardziej wrażliwe na artefakty pomiarowe wynikające z ruchu pacjenta, co powoduje drastyczne zmniejszenie dokładności odczytu.

W zastosowaniach pozaszpitalnych (ambulatoryjnych) zawsze występuje jakiś kompromis między elektrodami dobrej jakości a komfortem pacjenta i łatwością pomiaru. Rodzina ADPD4000 może pozwolić rozwiązać ten problem, zapewniając dokładny pomiar pomimo niskiej jakości elektrody. Zamiast mierzenia po prostu napięcia wejściowego obwód EKG mierzy nagromadzony na elektrodzie ładunek elektryczny, który przekazany jest do kondensatora czujnikowego. Dzięki zoptymalizowanej stałej czasowej obliczonej dla pasywnej sieci RC i częstotliwości próbkowania, proces ładowania eliminuje zmiany impedancji elektrody kontaktowej. Rysunek 4 pokazuje, jak sygnał EKG jest sprzężony z układem poprzez sieć RC. Ten obwód ma naturalną odporność na zmiany impedancji kontaktowej skóry z elektrodą.

Rysunek 4 pokazuje dwa przebiegi EKG. Niebieski przebieg został zmierzony za pomocą dobrej jakości elektrody o impedancji szeregowej równej 51 kΩ i pojemności wynoszącej 47 nF. Z kolei przebieg oznaczony czerwoną linią mierzony jest za pomocą słabej jakości elektrody o wysokiej impedancji szeregowej. Tania elektroda charakteryzuje się impedancją kontaktową równą 510 kΩ i pojemnością 4,7 nF. Widzimy na wykresie, że układ ADPD4000 mierzy oba przebiegi niemalże identycznie dobrze, niezależnie od jakości elektrody. Jest to ogromną przewaga tego interfejsu w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami dostępnymi na rynku. Dodatkową zaletą jest to, że obwód ten jest wyjątkowo energooszczędny, ponieważ nie musi być aktywny podczas rejestrowania sygnału EKG. Kolejną zaletą jest niski pobór mocy układu – system ten zużywa od 150 μW do 200 μW w czasie typowych zadań.

PPG i pomiary bioimpedancji

Do pomiarów optycznych i bioimpedancji wymagane są sterowniki LED do emitowania światła i drivery do wzbudzania odpowiednio prądu w ciele. W wielu systemach optycznych stosowana jest więcej niż jedna długość fali, co sprawia, że wszechstronność opisywanego układu jest bardzo istotna. ADPD4000 ma osiem sterowników wyjściowych, z których cztery mogą być używane jednocześnie jako programowalne źródła prądu, zapewniające maksymalnie 200 mA na kanał lub 400 mA dla całej sekcji sterownika. W zależności od konfiguracji można obsługiwać z ich pomocą wiele time slotów, z których każdy ma własne długości fali pomiaru, układ optyczny bardzo zależny jest od konfiguracji systemu, takiej jak częstotliwość próbkowania i decymacji oraz zastosowany prąd LED. Jest to również zależne do położenia sensora optycznego na ciele i odcienia skóry użytkownika.

Wiele biomedycznych systemów noszonych może również mierzyć przewodnictwo skóry w zastosowaniach, takich jak EDA, analiza stresu czy monitorowanie stanu psychicznego. Prąd wzbudzenia jest potrzebny do wygenerowania spadku napięcia, który mierzy układ. Rodzina ADPD4000 obsługuje także taką aplikację. Możesz skonfigurować układ w trybie pomiaru 2- lub 4-przewodowym. Nie uwzględniono w systemie jedynie odpowiedniego generatora przebiegów i modułu do obliczania DFT, więc w przypadku wykonywania spektroskopii impedancyjnej wymagany jest układ taki jak na przykład AD5940. Funkcja pomiaru impedancji może być również używana do pomiaru jakości elektrody lub do wykrywania odczepienia się elektrod od pacjenta.

Ponieważ układy z rodziny ADPD4xxx mają 8-kanałowy multiplekser na wejściu toru pomiarowego, można z jego pomocą również obsługiwać wejścia pomocnicze np. do pomiaru napięcia, pojemności, temperatury lub ruchu pacjenta.

Prawie idealny

Wraz z wprowadzeniem ADPD4000/ADPD4001 na rynek rozwiązano wiele wyzwań, przed którymi stają projektanci pracujący nad urządzeniami elektroniki noszonej czy systemami dostarczania leków. Dla każdego z tych przypadków użycia wydajność, rozmiar i rozpraszanie mocy są kluczowymi specyfikacjami urządzenia docelowego. Omawiany nowy biomedyczny interfejs zintegrowany wysokowydajnym, dwukanałowym stopniem wejściowym dla szerokiej gamy czujników, kanałami generacji wzbudzeń, silnikiem przetwarzania cyfrowego i kontrolą taktowania spełnia wszystkie te wymagania. Układy ADPD4000 i ADPD4001 są obecnie dostępne w ilościach hurtowych, a kolejna generacja układów - ADPD4100 i ADPD4101, ma być niebawem dostępna. Nowa generacja AFE poprawia specyfikację stosunku sygnału do szumu oraz posiada dodatkowe funkcje, które mogą pomagają dodatkowo zmniejszyć zużycie energii przez cały system.

Pomimo wszystkich tych funkcji zawartych w jednym układzie, jego wykorzystanie nie spowoduje, że stanowisko inżyniera elektronika stanie się zbędne, ponieważ w układzie tym nadal istnieje wiele parametrów do skonfigurowania, aby nadać każdemu systemowi własną tożsamość.

Źródło: Materiały prasowe Analog Devices

O autorze: Jan-Hein Broeders jest kierownikiem ds. Rozwoju biznesu medycznego w firmie Analog Devices na Europę, Bliski Wschód i Afrykę (EMEA). Ściśle współpracuje on z branżą medyczną, aby przełożyć ich obecne i przyszłe wymagania na rozwiązania oparte na wiodącej na rynku technologii urządzeń analogowych i przetworników danych firmy Analog Devices, a także na produktach do cyfrowego przetwarzania sygnałów i zasilania. Jan-Hein rozpoczął pracę w branży półprzewodników ponad 25 lat temu jako inżynier aplikacyjny, a od 2008 roku pełni swoją obecną rolę w dziale medycznym ADI. Uzyskał licencjat z inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie w Hertogenbosch w Holandii. Można się z nim skontaktować pod adresem [i]jan.broeders(at)analog.com.

I znów schorowani staruszkowie, samotni, zamknięci w czterech ścianach pokoju (to grupa najbardziej niepożądana w szpitalach, generująca wysokie koszty leczenia) staną się poligonem doświadczalnymi wielkiego koncernu.

Zastanawiam się, jak ludzkość przetrwała i dotrwała do 2020 roku, bez Analog Devices i tego procesora. No jak?
Gdzie podziały się zwykłe ludzkie uczucia, np. miłość do ojca i matki, szacunek i związana z tym opieka nad nimi, kiedy są chorzy i nieporadni?
Zaślepiona karierą i pieniędzmi garstka ludzi wpływa lub wręcz ustala (lobbując wygodne dla nich prawo) zachowanie pozostałych, odczłowieczając ich doszczętnie.

Pisałem w innym miejscu, że nie jestem przeciwnikiem automatyzacji i postępu; automatyzacja jest dobrem dla ludzkości, lecz tylko wtedy, kiedy nie degeneruje całej wręcz populacji przez jej odczłowieczanie (dehumanizację).

Artykuł rzeczowy (tłumaczenie również), dobrze opisujący wszysko, co istotne.

Na schemacie jest chyba błąd. Piny od LEDów (lewy górny róg schematu) są pokazane jako wejścia.

Great, i agree with you!

fotomh-s napisał:

Na schemacie jest chyba błąd. Piny od LEDów (lewy górny róg schematu) są pokazane jako wejścia.

Tak, strzałki przy bloku MUX i bloku Drivery LED powinny być narysowane odwrotnie.
To układ poglądowy, ale jednak należy poprawić, skoro ktoś zauważa te szczegóły.

fotomh-s napisał:

Na schemacie jest chyba błąd. Piny od LEDów (lewy górny róg schematu) są pokazane jako wejścia.

Bo (elektrycznie) nimi są. Sterowanie po niskiej stronie jest.

W takim razie DOUT dla SPI też powinno być jako wejście, dla SPI jakby nie patrzeć tak samo stan aktywny jest niski

fotomh-s napisał:

W takim razie DOUT dla SPI też powinno być jako wejście, dla SPI jakby nie patrzeć tak samo stan aktywny jest niski

W sumie fakt, nie wiem co kierowało autorem w kwestii konwencji tych strzałek

To może mieć duże znaczenie np. dla ludzi mieszkających samotnie, gdzieś na wsi. Nasze społeczeństwo się starzeje, a tak będziemy zapobiegać i mogli odpowiednio wcześniej wysłać karetkę czy przepisać odpowiednie leki. To krok naprzód bo już w maszynach/komputerach jest coraz ważniejsze mierzenie i próba przewidywania kiedy wymienić/naprawić dany element.

Oczywiście. Ale znając ludzkie lenistwo, to jak takie coś stanie się popularne, to wiele osób nie będzie czuło obowiązku rodzinnego odwiedzać starych rodziców. I opuszczeni starzy i tak szybko zejdą z tego świata, chyba, że będą sztucznie podtrzymywani przez elektronikę i medycynę w nieszczęśliwym życiu, z dala od bliskich którzy w pogoni za wygodą i karierą nie mają czasu dla rodziców.... to taki barwny przykład tego co może się dziać.

Jogesh napisał:

Oczywiście. Ale znając ludzkie lenistwo, to jak takie coś stanie się popularne, to wiele osób nie będzie czuło obowiązku rodzinnego odwiedzać starych rodziców. I opuszczeni starzy i tak szybko zejdą z tego świata, chyba, że będą sztucznie podtrzymywani przez elektronikę i medycynę w nieszczęśliwym życiu, z dala od bliskich którzy w pogoni za wygodą i karierą nie mają czasu dla rodziców.... to taki barwny przykład tego co może się dziać.

Ale to zupełnie nie ma związku ze sobą przecież. Odwiedzanie babci, nawet co dziennie, nie uratuje jej w przypadku zawału, a o detekcję tego rodzaju "zdarzeń" chodzi w tego rodzaju systemach biomedycznych.

Oczywiście. Za to odwiedzanie może spowodować, że będzie się jej chciało żyć. A tak, to trochę jak w "domu spokojnej starości" tylko zdalnym.
Czepiam się trochę, ale uważam, że bezsensowne gonienie za wprowadzaniem coraz więcej elektroniki do naszego życia tam gdzie jej nie potrzeba szkodzi nam. Oczywiście same czujniki i system pomocy gdy dane z jakiegoś czujnika będą nie tak to pogotowie przyjedzie sam w sobie nie jest zły.