reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Pixabay Technologie | 27 kwietnia 2017

Szybsze projektowanie wearables dla medycyny i sportu - Cz. 1

Rynek urz膮dze艅 ubieralnych mierz膮cych podstawowe parametry zdrowotne, kontroluj膮cych aktywno艣膰 i kondycj臋 cz艂owieka prze偶ywa prawdziwy rozkwit.
Praktycznie co tydzie艅 pojawiaj膮 si臋 nowe aplikacje, kt贸re zaskakuj膮 swoimi mo偶liwo艣ciami. Dost臋pno艣膰 do tanich, energooszcz臋dnych mikrokontroler贸w oraz do powszechnej 艂膮czno艣ci bezprzewodowej zach臋ci艂y najwi臋kszych producent贸w 艣wiatowej elektroniki do tworzenia osobistych urz膮dze艅 medycznych i sportowych. Dla projektant贸w elektroniki medycznej i sportowej zapotrzebowanie na nowe urz膮dzenia oznacza艂o, upakowanie cz臋sto z艂o偶onej i du偶ej aparatury, w niewielkie i do tego przeno艣ne urz膮dzenia osobiste. Dodatkowo, rosn膮cy popyt nie u艂atwia艂 zadania, ze wzgl臋du na stale zmieniaj膮ce si臋 wymagania u偶ytkownik贸w i ryzyko nie trafienia z produktem. W artykule przybli偶one zostan膮 dwa powszechnie znane urz膮dzenia mierz膮ce podstawowe parametry 偶yciowe oraz platforma, kt贸ra u艂atwia ich projektowanie. Jakie elementy tworz膮 serce tych przeno艣nych konstrukcji medycznych i sportowych? Przyjrzyjmy si臋 kilku przyk艂adom z bliska. Pulsoksymetr: urz膮dzenie elektroniczne s艂u偶膮ce do nieinwazyjnego pomiaru pulsu i wysycenia krwi tlenem. Najcz臋艣ciej wykorzystywany u os贸b z problemami uk艂adu oddechowego, stosowany r贸wnie偶 u pacjent贸w poddawanych znieczuleniu oraz w monitorowaniu stanu noworodk贸w i wcze艣niak贸w. Urz膮dzenie mierzy poziom tlenu poprzez emisj臋 dw贸ch fal: 艣wiat艂a czerwonego i podczerwonego przez palec lub p艂atek ucha. Na podstawie pomiaru stosunku odebranych fal otrzymujemy informacj臋 o nasyceniu hemoglobiny tlenem. W typowej konstrukcji, klips zawiera dwa nadajniki LED, fotodiod臋 dzi臋ki kt贸rej mierzymy absorpcj臋 艣wiat艂a czerwonego i podczerwonego oraz 艂膮cze szeregowe do przesy艂ania danych. Rysunek 1. Schemat blokowy typowego pulsoksymetru G艂贸wna jednostka zawiera mikrokontroler, kt贸ry odbiera i przetwarza analogowe sygna艂y z czujnika oraz steruje diodami LED. Dzi臋ki wy艣wietlaczowi informuje u偶ytkownika o wynikach pomiar贸w oraz poprzez 艂膮cze przewodowe lub bezprzewodowe przekazuje wyniki do dalszej analizy lub archiwizacji. W typowym rozwi膮zaniu klips z czujnikami 艂膮czy si臋 z jednostki g艂贸wn膮 za pomoc膮 przewodu. Istniej膮 r贸wnie偶 wersje mobilne pulsoksymetr贸w, kt贸re zawieraj膮 ca艂膮 elektronik臋 w jednym urz膮dzeniu montowanym na palcu. Rysunek 2. Przyk艂ad mobilnego pulsoksymetru napalcowego Monitor fitness: urz膮dzenie 艣ledzi i zapisuje aktywno艣膰 ruchow膮 w celu poprawy sprawno艣ci fizycznej. Dost臋pne na rynku monitory rejestruj膮: czas aktywno艣ci, ilo艣膰 krok贸w, spalone kalorie, temperatur臋, a tak偶e s膮 w stanie zmierzy膰 sk艂ad cia艂a - ilo艣膰 tkanki t艂uszczowej oraz masy mi臋艣niowej. Jak pulsoksymetr, cz臋sto sk艂adaj膮 si臋 z dw贸ch odr臋bnych jednostek: elementu pomiarowego oraz odbiorczego (w tym wy艣wietlacza urz膮dzenia). Rysunek 3. Schemat przeno艣nego monitora fitness: pasek na nadgarstek (u g贸ry) zawiera czujniki oraz mikrokontroler (MCU) i przesy艂a dane do zegarka (na dole), kt贸ry mo偶e przetwarza膰 i przekazywa膰 dalej informacje. W pasku urz膮dzenia umieszczono czujniki, kt贸re mierz膮 t臋tno oraz temperatur臋. Tutaj r贸wnie偶 odbywa si臋 dopasowanie sygna艂u przed etapem konwersji danych. Nast臋pnie bezprzewodowo przesy艂ane s膮 dane do odbiornika. Odbiornikiem mo偶e by膰 smartwatch, kt贸ry zbiera informacje i bezpo艣rednio je wy艣wietla. Alternatywnie, mo偶na retransmitowa膰 dane do komputera i tam je analizowa膰 lub bezpo艣rednio przesy艂a膰 do chmury w celu rejestrowania danych i dalszej analizy. Niekt贸re urz膮dzenia pozwalaj膮 na tworzenie statystyk dla ka偶dego z u偶ytkownik贸w, w celu lepszego monitorowania, a tak偶e wi臋kszej motywacji do dalszej poprawy kondycji. Cechy wsp贸lne mobilnych urz膮dze艅 ubieralnych Por贸wnuj膮c budow臋 mobilnych urz膮dze艅 ubieralnych dla cel贸w medycznych i sportowych wydaje si臋 jasne, 偶e maj膮 wiele element贸w wsp贸lnych:
  • Jeden lub wi臋cej czujnik贸w, kt贸re dokonuj膮 detekcji biometrycznej. Mierzone w przyrodzie parametry s膮 zazwyczaj analogowe. Mo偶liwy jest pomiar wielu wielko艣ci na raz.
  • Konfigurowalny uk艂ad analogowy - AFE (Analog Front-End), kt贸ry rejestruje i przetwarza dane z czujnik贸w. AFE zawiera zwykle obw贸d dopasowuj膮cy w postaci wzmacniacza operacyjnego, wzmacniacza transimpedancyjnego (TIA) lub programowalnego wzmacniacza (PGA). Sygna艂 wyj艣ciowy z urz膮dzenia zasila precyzyjny przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC).
  • Mikrokontroler o niskim poborze pr膮du, kt贸ry steruje i zarz膮dza prac膮 innych podzespo艂贸w. Energooszcz臋dne tryby pracy mikrokontrolera pozwalaj膮 zwi臋kszy膰 偶ywotno艣膰 baterii. Uk艂ad nie pracuje aktywnie przez ca艂y czas, a w wi臋kszo艣ci znajduje si臋 w trybie 鈥瀠艣pienia鈥 i wybudzany jest tylko okresowo w celu dokonania pomiar贸w lub 偶eby odpowiedzie膰 na nadchodz膮ce pakiety danych. Mikrokontroler zawiera tak偶e funkcje zabezpiecze艅 w celu ochrony przed nieautoryzowanym dost臋pem do danych pacjenta lub u偶ytkownika.
  • Blok zasilania, kt贸ry sk艂ada si臋 z regulator贸w napi臋cia, uk艂adu napi臋cia odniesienia, obwodu zabezpieczenia, baterii/akumulator贸w i uk艂ad贸w zarz膮dzania zasilaniem. Regulatory napi臋cia mog膮 zawiera膰 obie metody regulacji napi臋膰: liniow膮 lub impulsow膮. W przypadku zastosowania akumulator贸w, w bloku zasilania znajduj膮 si臋 r贸wnie偶 uk艂ady do 艂adowania z sieci lub bezprzewodowego.
  • Przewodowy lub bezprzewodowy port danych, kt贸ry wymienia informacje z innymi urz膮dzeniami. W zale偶no艣ci od urz膮dzenia stosowane s膮 interfejsy: USB, Wi-Fi (IEEE 802.11) i Bluetooth (BLE).
  • Panel sterowania HMI (Human Machine Interface), kt贸ry s艂u偶y do komunikacji u偶ytkownika z urz膮dzeniem a tak偶e do prezentacji wynik贸w. Standardowo zawiera wy艣wietlacz, przyciski, g艂o艣nik, mikrofon oraz wbudowane przetworniki A/C, C/A oraz sterowniki ekranu.
Podobie艅stwa nie ko艅cz膮 si臋 wraz ze sprz臋tem, ale maj膮 tak偶e wiele element贸w wsp贸lnych w stosowanych oprogramowaniach. Szczeg贸lnie wa偶ne dla pacjenta jest bezpiecze艅stwo rejestrowanych danych. Dlatego producenci urz膮dze艅 prze艣cigaj膮 si臋 w tworzeniu narz臋dzi do szyfrowania i uwierzytelniania danych. W Stanach Zjednoczonych je偶eli produkt przeznaczony jest do u偶ytkowania w warunkach medycznych, kwestie bezpiecze艅stwa informacji medycznych, ochrony prywatno艣ci i sposob贸w wymiany danych reguluje Ustawa o przeno艣no艣ci i odpowiedzialno艣ci w ubezpieczeniach zdrowotnych (HIPAA - Health Insurance Portability i Accountability Act). W Polsce obowi膮zuje Ustawa z roku 1997 o ochronie danych osobowych a szczeg贸艂owe przepisy znajduj膮 si臋 w rozporz膮dzeniu Ministra Zdrowia z dnia 21 grudnia 2006 r. w sprawie rodzaj贸w i zakresu dokumentacji medycznej w zak艂adach opieki zdrowotnej oraz sposobu jej przetwarzania. Cz臋艣膰 2 artyku艂u ju偶 wkr贸tce, a w niej:
  • Gotowa platforma programistyczna do szybkiego projektowania
  • Czujniki i uk艂ady AFE
  • Mikrokontrolery, zasilanie, komunikacja i oprogramowanie platformy
Artyku艂 uzyskany dzi臋ki uprzejmo艣ci Digi-Key Electronics.
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
February 19 2019 15:52 V12.2.2-1