Szybsze projektowanie wearables dla medycyny i sportu - Cz. 1

Praktycznie co tydzień pojawiają się nowe aplikacje, które zaskakują swoimi możliwościami. Dostępność do tanich, energooszczędnych mikrokontrolerów oraz do powszechnej łączności bezprzewodowej zachęciły największych producentów światowej elektroniki do tworzenia osobistych urządzeń medycznych i sportowych. Dla projektantów elektroniki medycznej i sportowej zapotrzebowanie na nowe urządzenia oznaczało, upakowanie często złożonej i dużej aparatury, w niewielkie i do tego przenośne urządzenia osobiste. Dodatkowo, rosnący popyt nie ułatwiał zadania, ze względu na stale zmieniające się wymagania użytkowników i ryzyko nie trafienia z produktem. W artykule przybliżone zostaną dwa powszechnie znane urządzenia mierzące podstawowe parametry życiowe oraz platforma, która ułatwia ich projektowanie. Jakie elementy tworzą serce tych przenośnych konstrukcji medycznych i sportowych? Przyjrzyjmy się kilku przykładom z bliska. Pulsoksymetr: urządzenie elektroniczne służące do nieinwazyjnego pomiaru pulsu i wysycenia krwi tlenem. Najczęściej wykorzystywany u osób z problemami układu oddechowego, stosowany również u pacjentów poddawanych znieczuleniu oraz w monitorowaniu stanu noworodków i wcześniaków. Urządzenie mierzy poziom tlenu poprzez emisję dwóch fal: światła czerwonego i podczerwonego przez palec lub płatek ucha. Na podstawie pomiaru stosunku odebranych fal otrzymujemy informację o nasyceniu hemoglobiny tlenem. W typowej konstrukcji, klips zawiera dwa nadajniki LED, fotodiodę dzięki której mierzymy absorpcję światła czerwonego i podczerwonego oraz łącze szeregowe do przesyłania danych. Rysunek 1. Schemat blokowy typowego pulsoksymetru Główna jednostka zawiera mikrokontroler, który odbiera i przetwarza analogowe sygnały z czujnika oraz steruje diodami LED. Dzięki wyświetlaczowi informuje użytkownika o wynikach pomiarów oraz poprzez łącze przewodowe lub bezprzewodowe przekazuje wyniki do dalszej analizy lub archiwizacji. W typowym rozwiązaniu klips z czujnikami łączy się z jednostki główną za pomocą przewodu. Istnieją również wersje mobilne pulsoksymetrów, które zawierają całą elektronikę w jednym urządzeniu montowanym na palcu. Rysunek 2. Przykład mobilnego pulsoksymetru napalcowego Monitor fitness: urządzenie śledzi i zapisuje aktywność ruchową w celu poprawy sprawności fizycznej. Dostępne na rynku monitory rejestrują: czas aktywności, ilość kroków, spalone kalorie, temperaturę, a także są w stanie zmierzyć skład ciała - ilość tkanki tłuszczowej oraz masy mięśniowej. Jak pulsoksymetr, często składają się z dwóch odrębnych jednostek: elementu pomiarowego oraz odbiorczego (w tym wyświetlacza urządzenia). Rysunek 3. Schemat przenośnego monitora fitness: pasek na nadgarstek (u góry) zawiera czujniki oraz mikrokontroler (MCU) i przesyła dane do zegarka (na dole), który może przetwarzać i przekazywać dalej informacje. W pasku urządzenia umieszczono czujniki, które mierzą tętno oraz temperaturę. Tutaj również odbywa się dopasowanie sygnału przed etapem konwersji danych. Następnie bezprzewodowo przesyłane są dane do odbiornika. Odbiornikiem może być smartwatch, który zbiera informacje i bezpośrednio je wyświetla. Alternatywnie, można retransmitować dane do komputera i tam je analizować lub bezpośrednio przesyłać do chmury w celu rejestrowania danych i dalszej analizy. Niektóre urządzenia pozwalają na tworzenie statystyk dla każdego z użytkowników, w celu lepszego monitorowania, a także większej motywacji do dalszej poprawy kondycji. Cechy wspólne mobilnych urządzeń ubieralnych Porównując budowę mobilnych urządzeń ubieralnych dla celów medycznych i sportowych wydaje się jasne, że mają wiele elementów wspólnych:

• Jeden lub więcej czujników, które dokonują detekcji biometrycznej. Mierzone w przyrodzie parametry są zazwyczaj analogowe. Możliwy jest pomiar wielu wielkości na raz.
• Konfigurowalny układ analogowy - AFE (Analog Front-End), który rejestruje i przetwarza dane z czujników. AFE zawiera zwykle obwód dopasowujący w postaci wzmacniacza operacyjnego, wzmacniacza transimpedancyjnego (TIA) lub programowalnego wzmacniacza (PGA). Sygnał wyjściowy z urządzenia zasila precyzyjny przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC).
• Mikrokontroler o niskim poborze prądu, który steruje i zarządza pracą innych podzespołów. Energooszczędne tryby pracy mikrokontrolera pozwalają zwiększyć żywotność baterii. Układ nie pracuje aktywnie przez cały czas, a w większości znajduje się w trybie „uśpienia” i wybudzany jest tylko okresowo w celu dokonania pomiarów lub żeby odpowiedzieć na nadchodzące pakiety danych. Mikrokontroler zawiera także funkcje zabezpieczeń w celu ochrony przed nieautoryzowanym dostępem do danych pacjenta lub użytkownika.
• Blok zasilania, który składa się z regulatorów napięcia, układu napięcia odniesienia, obwodu zabezpieczenia, baterii/akumulatorów i układów zarządzania zasilaniem. Regulatory napięcia mogą zawierać obie metody regulacji napięć: liniową lub impulsową. W przypadku zastosowania akumulatorów, w bloku zasilania znajdują się również układy do ładowania z sieci lub bezprzewodowego.
• Przewodowy lub bezprzewodowy port danych, który wymienia informacje z innymi urządzeniami. W zależności od urządzenia stosowane są interfejsy: USB, Wi-Fi (IEEE 802.11) i Bluetooth (BLE).
• Panel sterowania HMI (Human Machine Interface), który służy do komunikacji użytkownika z urządzeniem a także do prezentacji wyników. Standardowo zawiera wyświetlacz, przyciski, głośnik, mikrofon oraz wbudowane przetworniki A/C, C/A oraz sterowniki ekranu.

Podobieństwa nie kończą się wraz ze sprzętem, ale mają także wiele elementów wspólnych w stosowanych oprogramowaniach. Szczególnie ważne dla pacjenta jest bezpieczeństwo rejestrowanych danych. Dlatego producenci urządzeń prześcigają się w tworzeniu narzędzi do szyfrowania i uwierzytelniania danych. W Stanach Zjednoczonych jeżeli produkt przeznaczony jest do użytkowania w warunkach medycznych, kwestie bezpieczeństwa informacji medycznych, ochrony prywatności i sposobów wymiany danych reguluje Ustawa o przenośności i odpowiedzialności w ubezpieczeniach zdrowotnych (HIPAA - Health Insurance Portability i Accountability Act). W Polsce obowiązuje Ustawa z roku 1997 o ochronie danych osobowych a szczegółowe przepisy znajdują się w rozporządzeniu Ministra Zdrowia z dnia 21 grudnia 2006 r. w sprawie rodzajów i zakresu dokumentacji medycznej w zakładach opieki zdrowotnej oraz sposobu jej przetwarzania. Część 2 artykułu już wkrótce, a w niej:

• Gotowa platforma programistyczna do szybkiego projektowania
• Czujniki i układy AFE
• Mikrokontrolery, zasilanie, komunikacja i oprogramowanie platformy

Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © Digi-Key Electronics.