IoT

Без проводов: портативная медицинская электроника следующего поколения

Благодаря повышению интереса людей к своему здоровью и расширению функционала медицинских устройств, рынок портативных приборов переживает быстрый рост. При этом особое значение приобретает технология Интернета вещей (IoT). С помощью мобильных приложений IoT-устройства передают информацию о жизненно важных показателях в облако, лечащему врачу или службам здравоохранения. Ожидается, что эта технология в сочетании с машинным обучением и искусственным интеллектом переведет мониторинг медицинских показателей на качественно новый уровень
1214
В избранное

В последние время популярность портативных электрокардиографов (ЭКГ) или фотоплетизмографов (ФПГ) постоянно возрастает. Мониторы сердечного ритма, пульсоксиметры и трекеры активности стали доступными для широкого круга потребителей и играют все более важную роль в повседневной жизни. Вместо длинных и неудобных проводов, современные портативные приборы используют сухие электроды, что обеспечивает высокий уровень комфорта для пациентов.

Благодаря повышению интереса людей к своему здоровью и расширению функционала медицинских устройств, рынок портативных приборов переживает быстрый рост. При этом особое значение приобретает технология Интернета вещей (IoT). С помощью мобильных приложений IoT-устройства передают информацию о жизненно важных показателях в облако, лечащему врачу или службам здравоохранения. Ожидается, что эта технология в сочетании с машинным обучением и искусственным интеллектом переведет мониторинг медицинских показателей на качественно новый уровень. Расширение аналитических возможностей обеспечит повышение эффективности профилактики и уменьшит затраты на здравоохранение.

В фотоплетизмографах применяется оптическая система измерений для оценки уровня кислорода в крови (SpO2). Существует два типа оптических устройств: излучающие и отражающие. В излучающих ФПГ используется громоздкая клипса, которая надевается на палец. В клипсе с одной стороны от пальца расположен светодиод, формирующий световой поток. С другой стороны от пальца размещен фотоприемник, который используется для оценки степени поглощения света. Клипса давит на палец пациента, что с течением времени вызывает существенный дискомфорт. В светоотражающих ФПГ светодиод и фотодиод находятся с одной стороны от пальца. При этом фотодиод измеряет интенсивность отраженного светового потока. Клипса в данном случае не нужна. В результате этот тип ФПГ не вызывает дискомфорта, кроме того, его легко встроить в часы и другие портативные приборы.

При использовании традиционного электрокардиографа чувствительные электроды должны быть правильно установлены на теле пациента. Для лучшего контакта электродов с кожей используется специальный гель. К сожалению, при частом использовании, например, во время амбулаторного лечения, эти процедуры могут вызывать у пациентов аллергическую реакцию и раздражение кожи. Кроме того, гель относительно быстро высыхает, что приводит к ухудшению качества измерений. По этим причинам в последние годы растет интерес к использованию сухих электродов для выполнения долгосрочного физиологического мониторинга.

Компания Texas Instruments старается оперативно реагировать на тенденции современного рынка. Например, в референсной схеме Wearable, Wireless, Multi-Parameter Patient Monitor Reference Design используется биоиндикатор AFE4900 для синхронного измерения ЭКГ и ФПГ (рисунок 1). Микросхема имеет встроенные драйверы светодиодов и измерительные цепи для работы с фотодиодными приемниками. AFE4900 обменивается данными с беспроводным микроконтроллером CC2640R2F SimpleLink Bluetooth®. Этот микроконтроллер объединяет в одном корпусе процессорное ядро Arm® Cortex-M3, беспроводной трансивер 2,4 ГГц, проводные интерфейсы SPI и I2C. Решение поддерживает работу с JTAG и Bluetooth® 5.

Структура референсной схемы для синхронного измерения ФПГ и ЭКГ

Рис. 1. Структура референсной схемы для синхронного измерения ФПГ и ЭКГ

Ключевыми компонентами данного решения являются:

  • Синхронное измерение ФПГ и ЭКГ с использованием AFE4900. Если ЭКГ и ФПГ измеряется синхронно, то разница во времени между R-пиком (как правило, наивысшим пиком) в форме ЭКГ и приходом волны ФПГ представляет собой не что иное, как время прохождения импульса (PTT). Таким образом, схема позволяет определять сердечный ритм, SpO2 и PTT. На фоне других решений AFE4900 выделяется благодаря высокому уровню интеграции, компактными размерами, высокой гибкости при работе с режимами пониженного потребления, наличием встроенного буфера FIFO. Благодаря FIFO-буферу микросхема может накапливать данные, пока центральный микроконтроллер находится в состоянии сна, что увеличивает длительность работы батареи питания.
  • Беспроводная связь с использованием CC2640R2F. Микроконтроллер CC264R2F объединяет процессорное ядро Arm® Cortex-M3 и беспроводной трансивер 2,4 ГГц с поддержкой Bluetooth® 4.2 и 5.0. Кроме того, CC264R2F выступает в качестве центрального процессора. Встроенный DC/DC-преобразователь обеспечивает высокую эффективность и продлевает срок службы батареи. Встроенный алгоритм обнаружения разряда батареи позволяет отказаться от внешних специализированных микросхем.
  • Возможность работы с батарейками таблеточного типа. В данной схеме используется одна батарейка CR3032 с напряжением 3 В и емкостью 500 мА. Этой емкости хватает для работы в течение 100 часов при частоте передачи один раз в секунду. При увеличении интервала передачи до 1 минуты срок службы батарейки увеличивается до 30 дней.

Для тестирования референсной схемы использовался графический пользовательский интерфейс на основе LabVIEW (GUI). На рисунке 2 представлены полученные диаграммы ЭКГ и ФПГ.

Диаграмма сердечного ритма (с использованием датчика SFH 7072 от OSRAM) и диаграмма ЭКГ
Рис. 2. Диаграмма сердечного ритма (с использованием датчика SFH 7072 от OSRAM) и диаграмма ЭКГ

Референсная схема создавалась для медицинских приложений, персональных портативных медицинских приборов и фитнес-трекеров. Предлагаемое решение имеет открытую документацию, которая включает руководство по проектированию, принципиальную схему, файлы печатной платы, спецификацию. Эти материалы помогут быстро оценить возможности новых микросхем и ускорить разработку собственных продуктов.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
AFE4900YZR
AFE4900YZR
Texas Instruments
Арт.: 2573036 ИНФО PDF RD
Доступно: 3000 шт.
Выбрать
условия
поставки
Ultra-Low-Power Integrated AFE for Wearable Optical, Electrical Biosensing 30-DSBGA -20 to 70
AFE4900YZR от 3000 шт. от 282,52
3000 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
AFE4900YZT
AFE4900YZT
Texas Instruments
Арт.: 2582982 ИНФО PDF RD
Доступно: 2838 шт.
Выбрать
условия
поставки
Analog Front End - AFE Ultra-Low-Power Integrated AFE
AFE4900YZT от 687,89
2838 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()