BLE

Снижение потребления – главная задача для портативных медицинских устройств следующего поколения

Уменьшение габаритов и расширение функционала современных гаджетов заставляет разработчиков электроники задумываться о применении альтернативных источников энергии
1143
В избранное

Фитнес-устройства, контролирующие сердечный ритм, дыхание, активность и другие показатели, давно стали частью обыденной жизни людей. В то же время они представляют лишь видимую часть огромного сегмента электроники, связанного со здоровьем и медициной. Портативные приборы трансформируют медицинское обслуживание, причем не только в больничных палатах, но и в домах обычных людей. Новые устройства сокращают расходы, вовлекают пациентов в процесс ежедневной заботы о своем здоровье, обеспечивают круглосуточное наблюдение и даже помогают отслеживать выполнение графика приема лекарств.

Носимые медицинские приборы могут выполнять широкий спектр измерений различных медицинских показателей, таких, например, как сердечный ритм, дыхание, уровень кислорода, уровень глюкозы, гидратация, артериальное давление, проводимость кожи, температура, активность мозга и многое другое. Полученные данные регистрируются и передаются по беспроводным каналам медицинскому персоналу, который на основе полученной информации может предотвращать возникновение потенциальных проблем.

Как и многие другие медицинские технологии, ЭКГ прошла путь от дорогостоящей стационарной машины до бюджетного портативного устройства 

Рис. 1. Как и многие другие медицинские технологии, ЭКГ прошла путь от дорогостоящей стационарной машины до бюджетного портативного устройства 

Переход от громоздкого оборудования к носимым приборам занимает много времени и обычно малозаметен для пациентов (рис. 1). Например, для обслуживания первой установки для записи электрокардиограммы (ЭКГ), появившейся в 1908 году, требовалось пять человек. При этом пациент должен был размещать каждую конечность в отдельном ведре с соленой водой. Тем не менее, даже такое решение стало большим шагом вперед. Дело в том, что до 20-го века медики могли регистрировать сердечную деятельность только при непосредственном контакте с сердцем. При этом его владелец должен был быть уже мертв...

Современные портативные медицинские приборы не ограничиваются измерением только сердечного ритма. Обычно они выполняют несколько функций. Например, VitalPatch от VitalConnect интегрирует электроды ЭКГ, трехосный МЭМС-акселерометр и термистор. В дополнение к измерению частоты сердечных сокращений, этот прибор обеспечивает мониторинг частоты дыхания, температуры кожи, позы и активности пациента, а также обнаруживает падения. Сотрудники медицинских учреждений могут получить доступ к этой информации по проводным и беспроводным каналам.

Уровень потребления должен снижаться

Для любых портативных устройств существует одна общая закономерность: каждое следующее поколение приборов превосходит предыдущее как по функционалу, так и по производительности. Расширение функционала обычно приводит к увеличению потребления. При этом с одной стороны в портативных приборах, как правило, используется батарейное питание, а с другой стороны –увеличение физических размеров (при выборе аккумулятора увеличенной емкости) не всегда допустимо, поскольку снижение габаритов также является традиционным требованием для новых продуктов.

Самым простым выходом из этой ситуации будет использование сменных аккумуляторов. При этом пользователь может просто вставить новый элемент питания, а старый перезарядить. Тем не менее, с точки зрения разработчика использование встроенного (несменяемого) аккумулятора имеет целый ряд преимуществ: освобождение места для дополнительных элементов, использование аккумуляторов нестандартной формы, применение компактных и тонких корпусов, реализация герметичных, защищенных от пыли и влаги устройств. По этой причине съемные аккумуляторы исчезли из смартфонов, фитнес-гаджетов и других подобных устройств.

Требования к портативным медицинским приборам оказываются гораздо жестче, чем для коммерческой электроники. Медицинские устройства должны быть невосприимчивы к широкому спектру химических веществ, включая растворители и биологические жидкости, а аккумулятор должен обеспечивать автономную работу прибора в течение нескольких дней без подзарядки.

Поскольку использование запасных аккумуляторов оказывается невозможным, то для достижения компромисса между потреблением и емкостью элемента питания необходимо внедрение различных инновационных решений. При этом существует два очевидных пути развития:

  • Развитие элементов питания: емкость новых аккумуляторов должна быть больше, а габариты меньше.
  • Снижение потребления: время работы портативных приборов от одной батарейки должно увеличиваться.

В настоящий момент мы можем наблюдать постоянное улучшение характеристик литий-ионных аккумуляторов и других химических источников тока. Однако основным путем развития все-таки остается снижение собственного потребления. Производители интегральных схем создают компоненты, обеспечивающие минимальное потребление в каждом режиме работы.

Электронные компоненты, используемые в портативных приборах, должны обеспечивать высокую энергоэффективность в активном режиме работы. В то же время многие медицинские устройства функционируют в импульсном режиме. Они выполняют измерения, например, частоту сердечных сокращений, в течение коротких интервалов, после чего переходят в режим сна с низким потреблением, где и проводят большую часть времени. Таким образом, многие устройства способны переключаться в режим пониженного потребления и быстро пробуждаться при необходимости.

Хорошим примером микросхем с ультранизким потреблением является семейство микроконтроллеров MSP430. В дополнение к широкому набору периферийных устройств MSP430 имеют несколько режимов пониженного потребления, что позволяет увеличивать срок службы аккумуляторов портативных устройств.

Преимущества низкого потребления MSP430 используются в схеме миниатюрного пульсоксиметра TI (рис. 2). Контроллер MSP430F5528 потребляет всего 1,9 мкА в режиме ожидания с питанием 2,2 В. Используемая в схеме специализированная микросхема AFE4403 со встроенными аналоговыми цепями AFE также позволяет динамически управлять потреблением за счет отключения неиспользуемых блоков.

Референсная плата пульсоксиметра имеет размеры 1,55 × 1,05 см 

Рис. 2. Референсная плата пульсоксиметра имеет размеры 1,55 × 1,05 см 

На рис. 3 представлена блок-схема еще одного референсного медицинского устройства – многофункционального монитора состояния пациента. В этом приборе используется специализированная микросхема AFE4900, которая способна выполнять синхронное снятие электрокардиограммы (ЭКГ) и фотоплетизмограммы (ФПГ). Микроконтроллер CC2640R2F Bluetooth Low Energy (BLE) передает получаемые показания на планшет или смартфон. CC2640R2F построен на базе 32-разрядного процессорного ядра Arm Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Он оптимизирован для создания малогабаритных приложений с аккумуляторным питанием.

Референсная схема многофункционального монитора состояния пациента на базе специализированной микросхемы AFE4900

Рис. 3. Референсная схема многофункционального монитора состояния пациента на базе специализированной микросхемы AFE4900

Получаемые с помощью AFE4900 сырые данные позволяют рассчитывать различные медицинские показатели: пульс, концентрацию кислорода в крови (SpO2), время прохождения импульса в ФПГ, ЭКГ и др. Встроенные светодиоды используются для индикации разряда батареи и наличия электродов ЭКГ.

Несмотря на то, что в приборе используется сменный аккумулятор, большое внимание уделяется минимизации потребления. Например, микроконтроллер CC2640R2F отличается низким потреблением как в активном режиме, так и в режиме сна. В нем реализован специализированный блок – контроллер датчиков, который позволяет собирать аналоговые и цифровые данные, пока остальные блоки находится в спящем состоянии. Предложенный прибор способен работать в течение 30 дней от одной батарейки CR3032.

Повышение эффективности зарядных устройств

Параллельно с сокращением энергопотребления разработчики предпринимают значительные усилия по повышению эффективности систем заряда, от которых требуется сократить время на заряд и обслуживание аккумуляторов.

Компания Texas Instruments предлагает несколько рефренных схем, которые могут помочь разработчикам при создании малопотребляющих зарядных устройств для коммерческой электроники. Многие из предлагаемых решений подходят и для медицинских приложений.

В качестве примера можно привести беспроводные наушники, которые заряжаются, пока находятся внутри футляра. Очевидно, что в данном случае зарядное устройство должно иметь высокую эффективность и минимальные габариты. Референсная схема питания способна обеспечивать быстрый заряд с током до 1,5 А и точностью 1 мА (рис. 4).

Скорость заряда беспроводного наушника зависит от мощности USB-порта

Рис. 4. Скорость заряда беспроводного наушника зависит от мощности USB-порта (TIDA-050007 “Ultra-low Standby Power Reference Design for Wireless Earbuds Battery Charger)

Основная часть схемы заряда размещена в футляре для наушников. Микросхема bq24073 питается от USB-порта и заряжает Li-ion-аккумулятор BAT1, а также обеспечивает питание для синхронного повышающего преобразователя TPS61099, который в свою очередь питает аккумулятор наушника BAT2. В самом наушнике используется микросхема bq25100A, которая позволяет точно контролировать цикл зарядки литий-ионной батареи емкостью 250 мА. Оба зарядных устройства используют трехэтапный цикл заряда: первоначальный заряд малым током (нормирование или восстановление при глубоком разряде), заряд постоянным током, заряд с постоянным напряжением. Аккумулятор BAT1 обеспечивает ток зарядки для BAT2 при отсутствии подключения к USB-порту.

Так как ток заряда оказывается невысоким, то в данном случае могут использоваться линейные зарядные устройства. Такое решение является более компактным и дешевым, по сравнению с импульсными зарядными схемами, которые требуют громоздких и дорогих дросселей. Несмотря на то, что тепловые характеристики линейных зарядных устройств оказываются значительно хуже, чем у импульсных схем, однако для данного конкретного приложения это не является критичным. Импульсные зарядные устройства будут предпочтительнее в устройствах с большими значениями токов заряда.

LDO-стабилизатор TLV713P формирует питание 2,5 В для микроконтроллера MSP430FR2100. MSP430FR2100 управляет выходным напряжением TPS61099 и контролирует ток заряда.

Референсная схема активирует режим прямого подключения к нагрузке pass-through mode, в том случае, если входное напряжение USB оказывается выше требуемого выходного напряжения. КПД схемы превышает 85%, а ток в режиме ожидания составляет всего 18 мкА.

Харвестеры энергии: электронный «бесплатный обед»?

По мере того, как энергопотребление компонентов продолжает уменьшаться, разработчики портативных медицинских устройств начинают всерьез рассматривать возможность заряда аккумуляторов с помощью харвестеров энергии. Таким образом, предполагается использовать бесплатную энергию окружающей среды.

Различные виды энергии, например, солнечная энергия, трибоэлектрическая энергия статического заряда, кинетическая энергия движения и тепла, могут быть преобразованы в электрическую энергию, которая будет дополнительно подзаряжать аккумулятор и увеличивать длительность его работы между циклами зарядки. В идеальном случае устройство может полностью отказаться от аккумулятора и питаться от альтернативных источников.

Повышение эффективности харвестеров энергии является важной задачей для современной электроники. Например, новейшие фотовольтаические (солнечные) ячейки (DSSC) могут выдавать мощность 20-25 мкВт/ см2 даже при освещенности 200 люкс (люмен/ м2). Для сравнения – уровень освещенности в обычном офисе оказывается намного выше – 600…1500 люкс.

Одним из перспективных направлений по-прежнему остаются термоэлектрические генераторы (ТЭГ), выполненные по тонкопленочной технологии. При этом исследователи даже продемонстрировали термоэлектрические структуры, состоящие из нанопроводов диаметром 1-2 атома. Благодаря наличию естественных источников тепла в организме человека, использование ТЭГ обещает значительно увеличить срок службы аккумуляторов в имплантируемых медицинских устройствах.

К сожалению, портативные приборы должны оставаться компактными, что ограничивает применение солнечных батарей или ТЭГ. Следовательно, собранная мощность оказывается очень небольшой – от микроватт до милливатт. Кроме того, выходное напряжение харвестеров требуется дополнительного преобразования для дальнейшего использования. В итоге полученной мощности обычно недостаточно даже для микросхем с низким энергопотреблением, таких как MCU430 и других устройств, о которых говорилось выше.

Texas Instruments предлагает семейство малопотребляющих микросхем питания, предназначенных для создания харвестеров энергии. Эти преобразователи способны работать с различными типами аккумуляторов (литий-ионными, литий-полимерными, свинцово-кислотными, NiMH и NiCd), а также с суперконденсаторами.

Использование bq25570 является эффективным способом сбора энергии от солнечных батарей и других харвестеров

Рис. 5. Использование bq25570 является эффективным способом сбора энергии от солнечных батарей и других харвестеров

Микросхема bc25570 предназначена для эффективного преобразования мощности солнечных батарей или ТЭГ (рис. 5). bc25570 объединяет в одном корпусе высокоэффективное зарядное устройство с повышающим преобразователем и малопотребляющий понижающий преобразователь, который необходим для устройств с жесткими требованиями к качеству питания, в том числе для беспроводных сетевых датчиков (WSN).

Мгновенная мощность, выдаваемая харвестером энергии, может изменяться в широком диапазоне. По этой причине в bq25770 реализованы специальные функции, которые гарантируют, что батарея всегда остается в ее безопасной рабочей области (SOA) как при зарядке, так и при разряде. bq25770 поставляется в крошечном 20-выводном корпусе QFN размером 3,5 x 3,5 мм. Аналогичным функционалом обладают микросхемы bq25504 и bq25505.

Заключение

Портативные устройства являются настоящим и будущим медицинской электроники. Они имеют огромный потенциал в самых различных приложениях от мониторинга пациентов в режиме реального времени до доставки лекарств. В то же время ограничение пространства для установки аккумуляторов значительно усложняет жизнь разработчикам, заставляя искать новые пути по снижению уровня потребления.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
BQ24073RGTR
BQ24073RGTR
Texas Instruments
Арт.: 373281 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 759 шт. от: 134 руб.
Выбрать
условия
поставки
USB-Friendly Li-Ion Battery Charger and Power-Path Management IC, Vout 4.4V 16-QFN -40 to 85
BQ24073RGTR от 134 шт. от 85,68
759 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
BQ24073RGTT
BQ24073RGTT
Texas Instruments
Арт.: 373283 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 245 шт. от: 158 руб.
USB-Friendly Li-Ion Battery Charger and Power-Path Management IC, Vout 4.4V 16-QFN -40 to 85
BQ24073RGTT 158,00 от 25 шт. 136,00 от 54 шт. 122,00 от 117 шт. 113,00 от 250 шт. 108,00
72 шт.
(на складе)
173 шт.
(под заказ)
BQ24073RGTTG4
BQ24073RGTTG4
Texas Instruments
Арт.: 373284 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 652 шт. от: 250 руб.
Выбрать
условия
поставки
USB-Friendly Li-Ion Battery Charger and Power-Path Management IC, Vout 4.4V 16-QFN -40 to 85
BQ24073RGTTG4 от 250 шт. от 99,72
652 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MSP430F5528IRGCR
MSP430F5528IRGCR
Texas Instruments
Арт.: 583145 PDF AN RD
от: 2000 руб.
Поиск
предложений
25 MHz MCU with Integrated USB Phy, 128KB Flash, 8KB RAM, 12Bit/10 Channel ADC, 32BIT HW Multiplier 64-VQFN -40 to 85
MSP430F5528IRGCR от 2000 шт. от 334,07
-
Поиск
предложений
MSP430F5528IRGCT
MSP430F5528IRGCT
Texas Instruments
Арт.: 583146 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 205 шт. от: 466 руб.
16-Bit Ultra-Low-Power Microcontroller, 128KB Flash, 8KB RAM, USB, 12Bit ADC, 2 USCIs, 32Bit HW MPY 64-VQFN -40 to 85
MSP430F5528IRGCT 466,00 от 9 шт. 399,00 от 19 шт. 359,00 от 41 шт. 333,00 от 106 шт. 316,00
205 шт.
(на складе)
MSP430F5528IZQE
MSP430F5528IZQE
Texas Instruments
Арт.: 583147 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 174 шт. от: 31 руб.
Выбрать
условия
поставки
16-Bit Ultra-Low-Power Microcontroller, 128KB Flash, 8KB RAM, USB, 12Bit ADC, 2 USCIs, 32Bit HW MPY 80-BGA MICROSTAR JUNIOR -40 to 85
MSP430F5528IZQE от 31 шт. от 372,45
174 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MSP430F5528IZQER
MSP430F5528IZQER
Texas Instruments
Арт.: 583148 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 187 шт. от: 33 руб.
Выбрать
условия
поставки
16-Bit Ultra-Low-Power Microcontroller, 128KB Flash, 8KB RAM, USB, 12Bit ADC, 2 USCIs, 32Bit HW MPY 80-BGA MICROSTAR JUNIOR -40 to 85
MSP430F5528IZQER от 33 шт. от 347,32
187 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MSP430F5528IYFFR
MSP430F5528IYFFR
Texas Instruments
Арт.: 1027345 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 186 шт. от: 2500 руб.
Выбрать
условия
поставки
16-Bit Ultra-Low-Power Microcontroller, 128KB Flash, 8KB RAM, USB, 12Bit ADC, 2 USCIs, 32Bit HW MPY 64-DSBGA -40 to 85
MSP430F5528IYFFR от 2500 шт. от 349,03
186 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
AFE4900YZR
AFE4900YZR
Texas Instruments
Арт.: 2573036 ИНФО PDF RD
Доступно: 237 шт. от: 3000 руб.
Выбрать
условия
поставки
Ultra-Low-Power Integrated AFE for Wearable Optical, Electrical Biosensing 30-DSBGA -20 to 70
AFE4900YZR от 3000 шт. от 274,23
237 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
AFE4900YZT
AFE4900YZT
Texas Instruments
Арт.: 2582982 ИНФО PDF RD
Доступно: 206 шт. от: 250 руб.
Выбрать
условия
поставки
Analog Front End - AFE Ultra-Low-Power Integrated AFE
AFE4900YZT от 250 шт. от 315,37
206 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()