Измерения ЭКГ и ФПГ с помощью MAX86150

MAX86150 – новый биометрический датчик от компании Maxim Integrated, позволяющий выполнять синхронное измерение ЭКГ и ФПГ. В состав сенсора входят два АЦП (19-битный и 18-битный), драйвер светодиодов, фотоприемник и другие функциональные блоки. Благодаря компактным размерам, минимальному потреблению и широкому функционалу датчика MAX86150, функция измерения ЭКГ и ФПГ может быть встроена в современные мобильные устройства, например, в смартфоны или планшеты
1394
В избранное

MAX86150 – новый биометрический датчик от компании Maxim Integrated, позволяющий выполнять синхронное измерение ЭКГ и ФПГ. В состав сенсора входят два АЦП (19-битный и 18-битный), драйвер светодиодов, фотоприемник и другие функциональные блоки. Благодаря компактным размерам, минимальному потреблению и широкому функционалу датчика MAX86150, функция измерения ЭКГ и ФПГ может быть встроена в современные мобильные устройства, например, в смартфоны или планшеты.

Еще в 19 веке учеными было обнаружено, что вследствие различных физиологических процессов, например, сердечных сокращений, на поверхности человеческого тела возникают динамические электрические потенциалы. В 1887 году Огастесу Уоллеру удалось снять кардиограмму человека с помощью специального прибора – капиллярного электрометра. В начале 20 века Виллем Эйнтховен создал более совершенный прибор – струнный гальванометр, позволявший фиксировать измеренные значения электрических потенциалов в графической форме. При этом получаемые электрокардиограммы (ЭКГ) имели достаточную точность и могли использоваться для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. Предложенное Эйнтховеном представление электрокардиограммы оказалось чрезвычайно наглядным и удобным, и почти полностью сохранило свой первоначальный вид до настоящего времени (рис. 1). Сейчас ЭКГ является одним из важнейших элементов современной кардиологии. По кардиограмме можно судить о нормальной работе сердечно-сосудистой системы, или о наличии различных недугов (аритмии, ишемии, патологиях сердца и т. д.).

ЭКГ является основополагающим исследованием для раннего обнаружения заболеваний сердечно-сосудистой системы

Рис. 1. ЭКГ является основополагающим исследованием для раннего обнаружения заболеваний сердечно-сосудистой системы

Еще одним важным видом медицинского исследования является фотоплетизмограмма (ФПГ). При выполнении этого анализа палец пациента с одной стороны просвечивается инфракрасным источником света, а с другой стороны располагается фотоприемник, фиксирующий часть инфракрасного потока, прошедшего через ткани. По объему поглощенного света можно судить о кровяном потоке, а также измерять объемный пульс крови, частоту сердечного ритма и т. д.

Снятие ЭКГ и ФПГ имеет свои особенности и сложности. В частности, электрические потенциалы, необходимые для ЭКГ, оказываются чрезвычайно малыми и быстротечными. В результате для их измерения приходится крепить электроды на теле пациента с помощью специального геля, чтобы обеспечить плотный контакт. Второй проблемой становится борьба с шумами. При выполнении ФПГ также требуется решить проблему с шумами и внешними заветами. Для мобильных приложений, кроме того, необходимо обеспечить компактные размеры и минимальное потребление системы измерения.

Все перечисленные проблемы долгое время затрудняли создание компактных и мобильных устройств для выполнения ЭКГ и ФПГ. Действительно, сложно представить смартфон с функцией снятия ЭКГ, если пользователю приходится смазывать себя гелем. Однако в настоящий момент набирает популярность технология с сухими электродами, которая не требует геля и уменьшает число электродов. В таких условиях создание смартфона и планшета с ЭКГ становится более реальным.

В последнее время на рынке появилось несколько интегральных датчиков для снятия ЭКГ. В частности компания Maxim Integrated представила MAX86150 – новый биометрический датчик, позволяющий выполнять синхронное измерение ЭКГ и ФПГ.

MAX86150 поставляется в компактном корпусе размером 3,3 x 5,6 x 1,3 мм. Несмотря на малые габариты, датчик представляет собой законченную измерительную систему и имеет на борту все необходимые функциональные блоки для снятия ЭКГ и ФПГ: схемы усиления и фильтрации входного сигнала от сухих электродов, 18-битный АЦП для ЭКГ, 19-битный АЦП для ФПГ, два светодиода (красный и ИК), драйвер светодиодов, фотоприемник красного и ИК-излучения, схему подавления шума и внешних засветов, FIFO-буфер (рис. 2).

Структура микросхемы MAX86150 от Maxim Integrated

Рис. 2. Структура микросхемы MAX86150 от Maxim Integrated

Частота измерений, выполняемых датчиком MAX86150, программируется пользователем: 10…32 000 выборок в секунду для ФПГ и 200…3 200 выборок в секунду для ЭКГ. Стоит отметить, что измерения ФПГ и ЭКГ производятся синхронно.

Обмен данными между MAX86150 и внешним управляющим контроллером осуществляется с помощью интерфейса I2C. При этом с целью снижения потребления MAX86150 снабжен 32-уровневым FIFO-буфером. То есть микроконтроллер может считывать данные не сразу, а блоками, при этом большую часть времени находясь в режиме сна.

Уровень потребления является чрезвычайно важным фактором, особенно если речь идет о мобильных приложениях. MAX86150 использует напряжение питания 1,7…2,0 В (VDD_ANA и VDD_DIG) и 3,3 В для питания светодиодов. Типовое потребление MAX86150 составляет около 400 мкА. К этому, однако, нужно прибавить питание светодиода (также около 400 мкА).

Для снижения уровня потребления можно уменьшать частоту измерений, снижать длительность и амплитуду токовых импульсов питания светодиодов. Амплитуда импульсов питания программируется в диапазоне 0…100 мА, а длительность в диапазоне 50…400 мкс. Кроме того, для минимизации потребления микросхема MAX86150 снабжена встроенным датчиком приближения. Если палец пользователя не обнаружен, то схема автоматически «засыпает» и отключает питание красного светодиода видимого спектра. Если же объект обнаружен, MAX86150 автоматически просыпается и переходит в активный режим работы.

Для получения самого низкого уровня потребления следует использовать режим Shutdown, при котором типовое значение тока потребления уменьшается до 0,5 мкА (максимальное значение ограничено 12 мкА).

Схема включения для MAX86150 оказывается достаточно простой (рис. 3). Однако в данном случае вся сложность кроется в деталях. Дело в том, что при работе с низковольтными сигналами требуется соблюдать осторожность и ответственно подходить к созданию печатной платы. Это особенно актуально для MAX86150. Как видно из схемы, разработчик должен правильно разделить питание аналоговой и цифровой части схемы, а также выполнить трассировку и экранирование дифференциальных линий от электродов ЭКГ.

Схема включения MAX86150 чрезвычайно проста, но в данном случае эта простота является обманчивой

Рис. 3. Схема включения MAX86150 чрезвычайно проста, но в данном случае эта простота является обманчивой

С конструктивной точки зрения проблематичным является размещение электродов ЭКГ на печатной плате, так как самые лучшие электроды из нержавеющей стали не могут быть распаяны напрямую.

Чуть менее острой, но, тем не менее, важной проблемой может стать необходимость использования программных фильтров. Дело в том, что при измерении ЭКГ MAX86150 осуществляет аппаратную фильтрацию. Функции программной фильтрации разработчик должен реализовать самостоятельно. Впрочем, Maxim Integrated обещает предоставить готовые решения по запросу.

Чтобы на первых порах не решать перечисленные проблемы, для ознакомления с MAX86150 можно воспользоваться отладочным набором MAX86150EVSYS# (рис. 4). В состав отладочного набора входит материнская плата с размещенным на ней датчиком MAX86150, плата контроллера MAX32630FTHR с предустановленной программой, адаптер программатора (Pico programming adapter), два кабеля USB A - micro-USB, LiPo-аккумулятор на 500 мАч.

Отладочный набор MAX86150EVSYS# позволяет выполнять ЭКГ и ФПГ

Рис. 4. Отладочный набор MAX86150EVSYS# позволяет выполнять ЭКГ и ФПГ

Кроме самого датчика на основной плате расположена пара электродов из нержавеющей стали, благодаря чему пользователь может без особых усилий снимать ЭКГ (рис. 5).

Выполнение ЭКГ

Рис. 5. Выполнение ЭКГ

Для снятия ФПГ используется сам датчик MAX86150 (рис. 6).

Выполнение ФПГ

Рис. 6. Выполнение ФПГ

На рис. 7 представлен пример одновременного измерения ЭКГ и ФПГ.

Одновременное снятие ЭКГ и ФПГ

Рис. 7. Одновременное снятие ЭКГ и ФПГ

В комплекте с отладочными платами идет прикладное ПО для ПК. С его помощью пользователь сможет самостоятельно настраивать параметры датчика и просматривать результаты измерений, в том числе в графической форме (рис. 8).

Отображение результатов измерений с помощью прилагаемой утилиты

Рис. 8. Отображение результатов измерений с помощью прилагаемой утилиты

Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX86150EFF+
MAX86150EFF+
Maxim Integrated
Арт.: 2195345 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 73 шт. от 2 шт. от 963,08
Выбрать
условия
поставки
Biometric Sensors 3rd Gen High-Accuracy Pulse Oximetry and Heart Rate Bio Sensor ,SPO2,UVA+B,Temp, EKG, GSR,BioZ, General.
MAX86150EFF+ от 2 шт. от 963,08
73 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()