СХЕМЫ УСТРОЙСТВ МОНИТОРИНГА ЗДОРОВЬЯ

     интересные РАДИОСХЕМЫ самодельные


» ПОИСК СХЕМ



» РАДИОБЛОГИ
Миниатюрный щуп-вольтметр
Программатор ARM Cortex USB и Flash Magic
Светодиодный свет для растений
УФ светодиоды диапазона UV-C для дезинфекции
Драйвер ШИМ с нулевым потреблением тока в режиме ожидания
Программируемый логический элемент
Дистанционный переключатель из модуля радиоуправления игрушками
Усилитель для петличного конденсаторного микрофона

СХЕМЫ УСТРОЙСТВ МОНИТОРИНГА ЗДОРОВЬЯ


Изначально мониторинг жизненно важных функций организма проводился только в медицинских учреждениях под наблюдением врача. Но достижения в области микроэлектроники снизили стоимость систем мониторинга, сделав эти технологии более доступными и распространенными в таких областях, как телемедицина, спорт, фитнес и безопасность на рабочем месте, а также в автомобильной промышленности, которая все больше ориентируется на автономное вождение.

Параметры состояния здоровья

Мониторинг жизненных функций - это измерение ряда физиологических параметров, которые могут указывать на состояние здоровья человека. Частота сердечных сокращений является одним из наиболее распространенных параметров и может быть измерена с помощью электрокардиограммы. Изменения частоты сердечных сокращений обычно зависят от активности. Во время сна или отдыха ритм медленнее, но имеет тенденцию к увеличению после физкультуры, эмоциональной реакции или беспокойства.

Частота сердечных сокращений выходящая за пределы нормального диапазона, может указывать на такие нарушения, как брадикардия (когда частота пульса слишком низкая) или тахикардия (когда она высокая). Дыхание - еще один ключевой момент. Оксигенацию крови можно измерить с помощью метода, называемого фотоплетизмографией (SpO 2). Плохая оксигенация может быть связана с началом заболеваний или нарушений дыхательной системы. Другие измерения жизненно важных функций, которые могут указывать на физическое состояние, включают артериальное давление, температуру тела и проводимость кожи. Реакция проводимости кожи, также называемая электродермической реакцией, тесно связана с симпатической нервной системой, которая напрямую участвует в регуляции эмоционального поведения. Измерение проводимости кожи дает представление о стрессе, усталости, психическом состоянии и эмоциональной реакции пациента. Кроме того, измерение состава тела, процента безжировой и жировой массы, а также степени гидратации и питания дает четкие индикаторы клинического состояния.

Технологии измерения жизненно важных параметров

Для контроля жизненно важных функций, таких как частота пульса, дыхание, артериальное давление и температура, проводимость кожи и состав тела, требуются различные датчики, а решения должны быть компактными, энергоэффективными и надежными. Мониторинг жизненно важных функций включает оптические измерения, измерения биопотенциала, сопротивления и MEMS.

Оптические измерения

На рисунке показана типичная сигнальная цепочка для оптических измерений. Источники света (светодиоды) являются источником измерительного сигнала, который может состоять из волн разной длины. Выполнение измерения несколько раз на разных длинах волн позволяет повысить точность. Кремниевые датчики (фотодиоды) необходимы для преобразования оптического сигнала в электрический. Они должны реагировать на длину волны источника света с достаточной чувствительностью и линейностью. Генерируемый ими фототок необходимо затем усилить и преобразовать, отсюда и необходимость в эффективном, энергосберегающем, многоканальном аналоговом интерфейсе, который может управлять светодиодами, усиливать и фильтровать аналоговый сигнал, выполнять аналого-цифровое преобразование с нужным разрешением и точностью.

Полная схема с измерениями оптическими датчиками

Корпус оптики также играет важную роль. Это система с одним или несколькими оптическими линзами, которые благодаря покрытиям могут фильтровать входящий и исходящий свет без чрезмерного ослабления или отражений, которые могут нарушить целостность сигнала. Корпус оптической системы также должен вмещать множество компонентов, включая светодиоды, фотодиоды, а также схемы аналоговой и цифровой обработки. Наконец, оптические покрытия линз создают оптические фильтры для устранения нежелательных сигналов. Даже под воздействием солнечных лучей устройство должно работать. Если оптический фильтр отсутствует, сильный внеспектральный сигнал может привести к перегрузке аналогового тракта, что препятствует нормальной работе электроники.

Analog Devices предлагает семейство фотодиодов для аналоговых входных головок, способных записывать сигнал и управлять светодиодами. Также имеется встроенная оптика, которая включает светодиоды, фотодиоды и аналоговую головку, такую как ADPD1081.

Измерения биопотенциала и биоимпеданса

Биопотенциал - это электрический сигнал, генерируемый в результате электрохимической активности нашего тела. Примеры измерения биопотенциала включают электрокардиограмму (ЭКГ) и электроэнцефалограмму. Оба применимы к сигналам с очень низким значением в полосе частот, где имеется много помех. В результате полученный сигнал должен быть усилен и отфильтрован перед оцифровкой. Измерения биопотенциала ЭКГ широко используются в мониторинге жизненно важных функций, и Analog Devices предлагает несколько микросхем для этой задачи, включая AD8233, семейство ADAS1000 и ADuCM3029.

Чип AD8233 разработан для носимой электроники и может быть объединен с ADuCM3029 SoC, содержащим процессор Cortex-M3, чтобы сформировать систему измерения. Кроме того, семейство ADAS1000, разработанное для устройств более высокого уровня, отличается низким энергопотреблением. Это особенно важно для мобильного оборудования с батарейным питанием. Эти микросхемы масштабируемы с точки зрения потребляемой мощности и уровня шума (то есть минимальный уровень шума может быть уменьшен с пропорциональным увеличением потребления энергии), что делает их отличным интегрированным решением для оборудования ЭКГ.

Полная биоэлектрическая схема с измерениями биопотенциала и биоимпеданса.

Биоимпеданс - еще одна полезная вещь, предоставляющая информацию об активности, составе тела и статусе гидратации. Для каждого такого параметра требуется своя методика измерения. Кроме того, количество необходимых электродов и точек крепления на теле может меняться в зависимости от диапазона используемых частот.

Например низкие частоты до 200 Гц используются при измерении сопротивления кожи, а для определения состава тела обычно используется фиксированная частота сигнала 50 кГц. Точно так же переменные частоты используются для измерения гидратации и правильной оценки внутриклеточной и внеклеточной жидкости.

Хотя методы измерения различаются, один интерфейс AD5940 может использоваться для всех измерений биоимпеданса. Эта микросхема обеспечивает управляющий сигнал и цепи измерения сопротивления. Могут быть сгенерированы разные частоты для удовлетворения различных требований к измерениям. Кроме того, AD5940 разработан для работы с AD8233, что вместе позволяет создать комплексную систему для измерения биоимпеданса и считывания биопотенциала, как показано на рисунке. Другие интегральные микросхемы для измерения сопротивления включают семейство решений SoC ADuCM35x, которые где есть микроконтроллер с ядром Cortex-M3, памятью и интерфейсом связи, что позволяет создавать электрохимические датчики и биосенсоры.

Измерения движения с помощью датчиков MEMS

Поскольку датчики MEMS могут обнаруживать гравитационное ускорение, их можно использовать для обнаружения аномалий активности и следовательно здоровья, таких как нестабильная походка, падение или сотрясение мозга, они даже подходят для наблюдения за позой когда пациент находится в состоянии покоя. Кроме того, датчики MEMS могут использоваться в качестве дополнения к оптическим датчикам.

Информацию от акселерометра можно использовать для корректировки их работы. ADXL362 - один из самых популярных чипов для медицинской промышленности. Это 3-х осевой акселерометр с низким энергопотреблением. Он характеризуется программируемым диапазоном измерения от 2 до 8 g и имеет цифровой выход.

Универсальная головка аналогового ввода (AFE)

Носимая электроника, такая как умные браслеты и часы, уже предоставляет различные функции для мониторинга жизненно важных функций человека без посещения больниц. Наиболее распространены пульсометры, шагомеры и счетчики калорий. Также часто измеряются артериальное давление и температура тела, электрическая активность кожи, изменения объема крови (с помощью фотоплетизмографии) и многое другое.

Обзор функций ADPD4000 в типичных медицинских устройствах.

По мере увеличения количества контролируемых параметров возрастает и потребность во встроенных электронных компонентах. В этой области ADPD4000 отличается гибкой архитектурой и может помочь разработчикам медоборудования. Чип может управлять системой ввода фотометрических измерений (светодиоды и фотодиоды), а также предоставлять показания биопотенциала и биоимпеданса. Эта микросхема оснащена датчиком температуры для температурной компенсации показаний и имеет матрицу переключения, которая позволяет активировать определенные выходы и входы сигналов, как для симметричных, так и для дифференциальных цепей, что позволяет подключать определенные схемы к АЦП на время измерения и создавать гибкие конфигурации. Схему также можно запрограммировать на 12 различных временных интервалов, каждый из которых предназначен для обработки данных с определенного датчика. На рисунке показаны основные функции ADPD4000 в нескольких распространенных медицинских устройствах.

Носимая электроника и доступ к медицине

Сатурация крови кислородом, электрокардиография, артериальное давление и частота дыхания - это измерения, которые когда-то были областью оборудования для мониторинга только в поликлиниках. Контроль этих параметров имеет решающее значение для больных и пожилых людей. По мере старения населения доступ к домашним системам медицинского наблюдения стал важной социальной потребностью. Ко всем подобным устройствам мониторинга предъявляются одинаковые требования: они должны быть точными, компактными и долго работать от одной зарядки аккумулятора.

На рынке есть много медицинских устройств, которые объединяют два или более измерения, например, мониторы сердечного ритма с датчиками движения для отслеживания активности, стресса или анализа сна. В большинстве случаев каждое измерение выполняется в них через отдельный аналоговый интерфейс, в результате чего для аппаратной реализации необходимо несколько интегральных микросхем, каждая со своим аналого-цифровым преобразователем, интерфейсом с главным процессором и несколькими источниками питания. Это приводит к осложнениям и увеличению затрат, а также к увеличению занимаемой площади и потребляемой мощности.

Лучшим для носимой электроники всегда является одночиповое решение, например такое как ADPD4000. На рисунке показана блок-схема этой системы. Входная головка (AFE, аналоговый интерфейс) содержит два идентичных измерительных канала, которые позволяют производить выборку сигнала одновременно. Каждый канал имеет трансимпедансный дифференциальный усилитель с программируемым усилением, что позволяет проводить измерения для датчиков со сбалансированным или несимметричным выходом. Затем идет полосовой фильтр и интегратор, за которым следует 14-битное приближение АЦП (SAR) с максимальной частотой дискретизации 1 Мвыб / с. Перед каждым сигнальным трактом установлен 8-канальный мультиплексор, который обеспечивает гибкость при подключении различных датчиков к AFE.

Блок-схема микросхемы ADPD4000.

Схема AFE может работать с фотоэлементом для измерения частоты сердечных сокращений или насыщения крови кислородом. В этом режиме измеряется фототок, поэтому для преобразования его в напряжение необходим входной каскад с высоким сопротивлением. Другой пример - измерение биопотенциальных сигналов от электрокардиограммы (ЭКГ) или датчиков ЭМГ. В этом случае необходимо настроить выходы для управления светодиодами, цепь возбуждения для измерения сопротивления кожи и измерения его в ответ на стимуляцию.

Данная схема позволяет запрограммировать каждую такую конфигурацию и проводить измерения в определенном временном интервале. Поддерживается до 12 интервалов, что делает этот чип очень простым в использовании после настройки.

Кроме того, ADPD4000 не требует дополнительных ресурсов ЦП, что помогает свести к минимуму общее энергопотребление. Преобразование данных и усреднение, например, для увеличения эффективного числа битов (ENOB) преобразователя, не обязательно должны выполняться микроконтроллером. Цифровые данные имеют 32-битное представление, а результаты измерений могут храниться в 256-байтовой или 512-байтовой памяти FIFO.

Одновременное измерение ЭКГ и ФПГ для оценки артериального давления.

Есть и встроенная функция отметки времени, которая поддерживает синхронизацию выборок данных с нескольких подключенных датчиков. Это необходимо для использования информации от нескольких датчиков для поиска корреляций между различными результатами измерений. На рисунке показано, как это можно использовать для измерения ЭКГ, синхронизированной с измерением фотоплетизмографии (ФПГ). На основе измерения времени перехода импульса (PPT) артериальное давление можно измерять непрерывно. Это очень полезно для людей с гипертонией.

Пример временного интервала и последовательности измерений в ADPD4000

На рисунке показано, как работать с интервалами измерения. Каждый временной интервал начинается с условного импульса, за которым следует импульс стимула, и, наконец, сигнал тока или сигнал фотодиода от другого датчика дискретизируется АЦП. Показан пример последовательности действий. После включения питания и перезагрузки схема переходит в спящий режим. После пробуждения можно последовательно отобрать два сигнала ЭКГ (например, LEAD I и LEAD II), а затем выполнить измерение оптического канала для определения SpO2 и измерение сопротивления для определения проводимости кожи (EDA).

Измерение ЭКГ стало проще

ЭКГ - это тест, который измеряет электрический сигнал, генерируемый человеческим сердцем из-за деполяризации и реполяризации сердечной мышцы с каждым ударом. Сигнал имеет амплитуду 0,5–4 мВ и измеряется в диапазоне 0,05–40 Гц. Кривую ЭКГ можно использовать в качестве меры сердечной деятельности или в качестве предупреждения о фибрилляции желудочков, аритмии и так далее. Для контроля сердечной активности в амбулаторных условиях используются сухие электроды, которые более удобны, но дают менее точные показания.

Кривые ЭКГ, измеренные с помощью двух разных электродов.

ADPD4000 может обеспечить точные измерения, несмотря на использование сухого электрода. Вместо измерения напряжения схема ЭКГ измеряет электрический заряд, накопленный на чувствительном конденсаторе. Благодаря связи через RC-цепь, изменения контактного сопротивления электрода были исключены.

  • На рисунке показаны две кривые ЭКГ. Синяя форма волны была измерена с помощью электрода хорошего качества с последовательным сопротивлением 51 кОм и емкостью 47 нФ.
  • Красный сигнал с использованием низкокачественного электрода с высоким последовательным сопротивлением 510 кОм и емкостью 4,7 нФ. ADPD4000 измеряет обе формы сигнала практически одинаково, независимо от качества электрода. Это огромное преимущество по сравнению с альтернативными решениями, доступными на рынке.

Дополнительным плюсом является то, что эта микросхема чрезвычайно энергоэффективна (потребление 200 мкВт), поскольку ей не нужно быть активной, пока сигнал ЭКГ записывается.

Поскольку ADPD4xxx имеет 8-канальный мультиплексор, она также может поддерживать дополнительные входы для измерения напряжения, емкости, температуры или датчиков движения.

   Форум по медтехнике




   Форум по обсуждению материала СХЕМЫ УСТРОЙСТВ МОНИТОРИНГА ЗДОРОВЬЯ


РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358

Теория и практика ОУ, описание работы и подключение типового операционного усилителя - микросхемы LM358.


ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Принципиальная схема гальванической развязки для 8-канального логического анализатора. Скорость передачи данных до 10 Мбит.


МУЛЬТИВИБРАТОР НА 3 ТРАНЗИСТОРА

Тристабильный мультивибратор - схема трёхканального переключателя LED.



Радиосхемы » Медтехника



» РАДИОЭЛЕМЕНТЫ


© 2010-2021 "Радиосхемы". Все права защищены  Почта  PDA   Группа вконтакте   Канал ютуб   Группа в фэйсбук