Technologie Vital Sign - monitorowanie funkcji życiowych
Pomimo coraz bardziej powszechnych zastosowań, biorąc pod uwagę znaczenie zastosowań medycznych dla naszego zdrowia, standardy jakości muszą pozostać bardzo wysokie.
Pomiary biopotencjału i bioimpedancji
AD8233 jest przeznaczony do zastosowań przenośnych i może być połączony z ADuCM3029, SoC opartym na technologii Cortex®-M3, tworzącym kompletny system. Dodatkowo rodzina ADAS1000, przeznaczona do zaawansowanych zastosowań, charakteryzuje się niskim zużyciem energii. Nadaje się szczególnie do urządzeń przenośnych zasilanych bateryjnie i jest skalowalny pod względem mocy i zakłóceń (tj. poziom zakłóceń można zmniejszyć kosztem proporcjonalnego wzrostu zużycia energii), co czyni go doskonałym zintegrowanym rozwiązaniem dla systemów EKG.
Biopotencjał to sygnał elektryczny generowany przez efekt aktywności elektrochemicznej w naszym ciele. Przykłady pomiarów biopotencjału obejmują elektrokardiogram (EKG) i elektroencefalogram. Wykrywają one sygnały o bardzo małej amplitudzie w paśmie częstotliwości, w którym występuje kilka zakłóceń. W rezultacie sygnał musi zostać wzmocniony i przefiltrowany przed przetworzeniem. Pomiary biopotencjału EKG są szeroko stosowane w monitorowaniu funkcji życiowych, a Analog Devices oferuje kilka komponentów do tego zadania, w tym AD8233, rodzinę układów ADAS1000 i ADuCM3029.
Bioimpedancja to kolejny pomiar, który może dostarczyć nam przydatnych informacji na temat naszego fizycznego stanu. Pomiary impedancji dostarczają informacji na temat naszej aktywności elektrodermalnej, składu naszego ciała i stanu nawodnienia. Każdy parametr wymaga innej techniki pomiarowej. Liczba elektrod wymaganych dla każdej z nich i punkt, w którym są one przykładane, mogą się różnić w zależności od zakresu stosowanych częstotliwości.
Na przykład, niskie częstotliwości (tj. do 200 Hz) są używane do pomiaru impedancji skóry, podczas gdy dla pomiaru składu ludzkiego ciała zwykle stosuje się stałą częstotliwość 50 kHz. Podobnie, różne częstotliwości są używane do pomiaru nawodnienia i prawidłowej oceny płynów wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych.
Chociaż techniki mogą się różnić, do wszystkich pomiarów bioimpedancji i impedancji może być używany pojedynczy front-end o oznaczeniu AD5940. Urządzenie to dostarcza sygnał wzbudzenia i kompletny łańcuch pomiarowy impedancji a w celu spełnienia wielu wymagań pomiarowych można wygenerować różne częstotliwości. Ponadto AD5940 został zaprojektowany do współpracy z AD8233 w celu stworzenia kompleksowego systemu odczytu bioimpedancji i biopotencjału, jak pokazano na rysunku 2. Inne urządzenia do pomiaru impedancji obejmują rodzinę rozwiązań SoC ADuCM35x, które oprócz dedykowanego analogowego front-end’u, zawierają mikrokontroler Cortex-M3, pamięć, akceleratory sprzętowe i peryferia komunikacyjne dla czujników elektrochemicznych i biosensorów.
Rysunek 2. Kompletny system bioelektryczny z pomiarem biopotencjału i bioimpedancji. © Analog Devices
Pomiary ruchu za pomocą czujników MEMS
Ponieważ czujniki MEMS mogą wykrywać przyspieszenie grawitacyjne, można ich używać do wykrywania samej aktywności jak i ich anomalii, takich jak chwiejny chód, upadek lub wstrząs mózgu, a nawet monitorowania postawy podczas spoczynku. Ponadto czujniki MEMS mogą być stosowane jako uzupełnienie czujników optycznych, ponieważ bazują one na artefaktach ruchowych i w przypadku ich wystąpienia, informacje z akcelerometru można wykorzystać do dokonania korekty. ADXL362 jest jednym z najpopularniejszych urządzeń w branży medycznej i jest 3-osiowym akcelerometrem o najniższym zużyciu energii na rynku. Charakteryzuje się programowalnym zakresem pomiarowym od 2g do 8g oraz cyfrowym wyjściem.
ADPD4000: uniwersalny analogowy front-end
Urządzenia ubieralne dostępne obecnie na rynku, takie jak inteligentne bransoletki i czy zegarki, są wyposażone w różne funkcje monitorowania parametrów życiowych. Do najczęstszych należą monitory tętna, krokomierze i liczniki kalorii. Często mierzy się również ciśnienie krwi i temperaturę ciała, a także aktywność elektrodermalną, zmiany objętości krwi (za pomocą fotopletyzmografii) i inne wskaźniki. Wraz ze wzrostem liczby opcji monitorowania rośnie zapotrzebowanie na wysoce zintegrowane komponenty służące do przeprowadzenia ich pomiaru. Układ ADPD4000 charakteryzuje się niezwykle elastyczną architekturą i został stworzony, aby pomóc projektantom zaspokoić tę potrzebę. Może on pełnić funkcję front-end’u do zastosować fotometrycznym, sterować diodami LED i odczytywać wskazania fotodiod, a także zapewnia odczyty biopotencjału i bioimpedancji. ADPD4000 jest wyposażony w czujnik temperatury służący do kompensacji wskazań innych elementów układu i macierz przełączników, która umożliwia sterowanie niezbędnymi wyjściami i akwizycję sygnałów, zarówno dla sygnałów napięciowych jednokierunkowych, jak i różnicowych.
Wyjście jest wybieralne i może być niesymetryczne lub różnicowe w zależności od wymagań wejściowych ADC, do którego podłączony jest ADPD4000. W układzie można zaprogramować 12 różnych pasm czasowych, z których każde jest przeznaczone do przetwarzania sygnału z określonego czujnika. Rysunek 3 podsumowuje kluczowe cechy ADPD4000 w kilku typowych zastosowaniach.
Rysunek 3. ADPD4000 do pomiarów fotometrycznych, biopotencjału, bioimpedancji i temperatury. © Analog Devices
Autor: Cosimo Carriero
Cosimo Carriero dołączył do Analog Devices w 2006 roku jako inżynier aplikacyjny, zapewniając wsparcie techniczne strategicznym klientom. Posiada tytuł magistra fizyki uzyskany na Università degli Studi w Mediolanie we Włoszech. Wcześniejsze doświadczenia obejmują INFN, Włoski Instytut Fizyki Jądrowej, gdzie zajmował się opracowywaniem oprzyrządowania do eksperymentów fizyki jądrowej, opracowywanie czujników i systemów do automatyzacji fabryk oraz zarządzania zasilaniem satelitów produkowanych przez Thales Alenia Space.
Podsumowanie
Wraz z postępem technologicznym monitorowanie parametrów życiowych stanie się coraz bardziej powszechne w różnych aplikacjach stosowanych w codziennym życiu. Niezależnie od tego, czy są stosowane w leczeniu, czy w profilaktyce, tego typu rozwiązania związane z monitoringiem zdrowia wymagają niezawodnej i solidnej technologii. W szerokim portfolio produktów Analog Devices dedykowanych do przetwarzania sygnałów, projektanci systemów monitorowania parametrów życiowych znajdą całą gamę rozwiązań dla stojących przed nimi wyzwań projektowych.
Żródło: © Analog Devices
Zdjęcie tytułowe: ©pl.freepik.com