Biomedikai „mindenes” viselhető eszközökbe

Nemrég még azon töprengett az elektronikai ipar, hogy „már tudunk viselhető elektronikus készülékeket készíteni, csak még azt nem tudjuk, hogy miért”. Azóta az „okosórák” szinte elárasztották a piacot, és hasonlóan népszerűek az orvosbiológiai információkat gyűjtő eszközök is a fitnesz „személyi edzőktől” a professzionális diagnosztikai és élettani monitorozó készülékekig. Ez utóbbiak tervezését egyszerűsíti jelentősen az Analog Devices alább bemutatott egycsipes analóg frontend áramköre.

Bevezetés

Az oxigéntelítettséget, az elektrokardiográfiát, a vérnyomást és a légzésfrekvenciát olyan módszerekkel mérjük, amelyek szokásosan csak kórházi beteg-állapotfigyelésre szolgáló eszközökben fordulnak elő. E paraméterek felügyelete kulcsfontosságú, különösen olyan személyeknél, akik egészségügyi kockázatokkal élnek, akár egy balesetből való felépülés közben, akár sebészeti beavatkozás után, akár pedig súlyos betegségek következtében.
Az idősek számarányának növekedtével, és nem mellékesen a kezelésükre fordított költségek optimalizálása miatt is, a kórházon kívül is folytatódó orvostechnikai felügyelet egyre erősödő trenddé válik. Jelenleg már lehetséges a kockázatokat hordozó páciensek megfigyelése a hétköznapi életük körülményei között is, annak érdekében, hogy bizonyos egészségügyi események bekövetkezését időben lehessen észlelni, vagy azért, hogy a kórházból kibocsátott, egészségmonitorral ellátott páciensek számára tegye lehetővé a gyorsabb és kevesebb kényelmetlenséggel járó felépülést. Van továbbá a felhasználóknak egy harmadik csoportja is, akik ezeket a paramétereket minden aktuális diagnosztikai ok hiányában, csupán betegségmegelőzési célból kívánják figyelemmel kísérni.
A többparaméteres monitoroknak egységes követelményrendszert kell teljesíteniük: pontosnak és kis méretűnek kell lenniük, és egyetlen elemcelláról hosszú ideig működőképesnek kell maradniuk. Ennek a trendnek a támogatására az egycsipes orvostechnikai frontend-csipek egész családját fejlesztették ki.

1. ábra  Az ADPD4000-termékcsalád magas szintű tömbvázlata

Az ADPD4000 rövid áttekintése

Sok olyan többparaméteres rendszer található a piacon, amely két vagy több mérési funkciót képes megvalósítani. Gondoljunk például egy szívfrekvencia-monitorra, amelyet mozgásérzékelővel építenek egybe a páciens fizikai aktivitásának követése érdekében, vagy a szívfrekvencia változásának egy impedanciaváltozással való együtt monitorozásának lehetőségére, a pácienst érő stressz figyelemmel kísérésében vagy az alváselemzésben.
A legtöbb esetben minden mérést egy önálló, feladathoz optimalizált analóg frontend hajt végre, amely önmagában is néhány csipnyi alkatrészmennyiséget jelent. Ezenkívül mindegyik frontendhez saját analóg-digitális átalakító tartozik, saját interfésszel a főprocesszorhoz. Szükséges továbbá egy – néhány tápfeszültséget előállító – tápegység, a tápfeszültségek nem kívánatos kölcsönhatásainak megakadályozásával. Ez számos redundáns építőelem beépítésével jár, amely nem tekinthető optimális megoldásnak sem a méret, sem pedig a tápellátásigény szempontjából. Egy viselhető rendszerben semmi sem egyszerűbb, mint ha egyetlen közös jelfeldolgozási lánccal rendelkezünk, amelyhez a különböző szenzorok csatlakoznak. Az orvosbiológiai frontendeknek az új ADPD4000-típuscsaládja ezt a piaci rést hivatott kitölteni. Az 1. ábra az ADPD4xxx-család magas szintű tömbvázlatát mutatja. A frontend magva két azonos vevőcsatorna, amelyeket egymástól függetlenül lehet mintavételezni. Mindegyik csatorna differenciális felépítésű, amely lehetővé teszi, hogy képesek legyenek akár aszimmetrikus, akár differenciális kimenetű szenzorok jelének fogadására. A bemeneti fokozat egy programozható átvitelű transzimpedancia-erősítő, amelyet egy sáváteresztő szűrő és egy integrátor követ. Az utóbbi mintánként 7,5 pC töltést képes integrálni. Az AD-konverter egy 14 bites szukcesszív approximációs működési elvű átalakító, amely 1 Mminta/s maximális mintasebességgel képes mérni. Mindkét jelfeldolgozó lánc előtt egy-egy nyolccsatornás multiplexer (méréspontváltó) kapott helyet, amely révén az analóg frontend (Analog Front End – AFE) rugalmasan képes a különféle szenzorjeleket a megfelelő jelfeldolgozó csatornára vezetni.
A csippel különféle jeleket lehet mérni – mint arra az 1. ábrából is következtethetünk. Az AFE megfelelő beállítással optikai frontenddé alakítható, amely például optikai elven működő szívfrekvencia vagy oxigénszaturáció (a vér oxigéntartalma a telített állapothoz viszonyított százalékarányban kifejezve – A szerk. megj.) mérésénél is használható. Ebben az üzemmódban a szenzor fotoáramát mérjük, ezért az erősítő bemenetének nagyimpedanciás fokozatát kell arra használni, hogy a szenzor áramát vele arányos feszültséggé alakítsa át. Arra is szükségünk lehet, hogy kioltsuk a környezeti fény által okozott zavarokat.

2. ábra  A vérnyomás becslése az egyidejű EKG- és PPG-mérések alapján

Ennek egy másik használati esete az elektrokardiográfiás (EKG) vagy elektromiográfiás (EMG) szenzorok által érzékelt biopotenciálok mérése. Ezek az átkonfigurálások a bemeneti jelfeldolgozó lánc AFE-paramétereinek a célnak megfelelő beállításával végezhetők el. Azonkívül, hogy a jelfeldolgozó vevőlánc érzékelni képes az orvosbiológiai jeleket, a csip rendelkezik nyolc – meghajtóáramkörben végződő – kimeneti csatornával is, amelyek így aktív orvostechnikai mérésekhez szükséges ingerjeleket (stimulusokat) képesek előállítani. Például egy vagy több kimenettel lehet ledeket meghajtani optikai elvű mérésekhez, esetleg egy vagy több meghajtót használhatunk a gerjesztőjel előállítására az olyan impedanciamérésekhez, mint a bőr elektromos impedanciájának (Electro-Dermal Activity – EDA) vagy az elektródaimpedanciának a – biopotenciálok mérésének minőségi ellenőrzéséhez szükséges – mérése.
A csip lehetővé teszi, hogy a felhasználó előre programozza egy konfiguráció vagy mérés végrehajtását egy bizonyos időszeleten belül. Az eszköz legfeljebb 12 ilyen időszelet használatát támogatja, amely a már konfigurált eszköz használatát jelentősen megkönnyíti. Ráadásul az eszköz ehhez nem igényli további processzor-erőforrások igénybevételét, amely segít a rendszer teljes energiafogyasztását a lehető legalacsonyabb szinten tartani. A csip segítséget nyújt abban is, hogy a szükségesnél több minta vételével (túlminta-vételezéssel) és az így keletkező többletadatok átlagolásával növeljük az AD-konverter értékes bitjeinek (Effective Number Of Bits – ENOB) számát. Az átlagolt mérési eredmények továbbítására szolgáló adatútvonal 32 bit szélességű.
A mérési eredmények vagy egy 256 bájt (ADPD400x) vagy egy 512 bájt (ADPD410x) mélységű puffertárolóban (First In First Out – FIFO) tárolhatók.
Az eszköz rendelkezik egy időbélyeg-rögzítési (time stamp) funkcióval is, amely az eszközhöz csatlakoztatott érzékelőkből számazó mért adatok szinkronizálását támogatja. Erre akkor van szükség, ha több szenzor által szolgáltatott adatsorok közötti korrelációkat kívánunk vizsgálni. A 2. ábrán látható, hogyan használható a csip az EKG-jelhez szinkronizált fotopletizmográfiai (PPG, a pulzusérzékelésnek az ujjbegy ereinek vérrel telítettségén alapuló) méréséhez. Az EKG- és a PPG-jelek közötti késleltetési idő (Pulse Transit Time – PPT) alapján végezhető például a vérnyomás folytonos mérése. Ez rendkívül hasznos lehetőség a magasvérnyomás-betegségben szenvedő páciensek számára. Az egyidejű EKG- és a PPG-jelek összepárosítását és az azt követő jelfeldolgozást az időbélyeg-funkció teszi lehetővé.
A 3a. ábrán látható, hogyan lehet az időszelet-funkciót felhasználni. Minden időszelet egy – a mérési feltételek előzetes beállítását időzítő (precondition) – impulzussal kezdődik. Ezt követi a stimulust időzítő impulzus, és végül a fotodióda áramát vagy más szenzor kimenőjelét mintavételező AD-konverter indítóimpulzusa következik.
A 3b. ábrán egy működési jelsorozatra látunk példát. Miután – egy reset jelet követően – a készülék áramellátása bekapcsolódik, a csip alvó üzemmódba kapcsol. A csip felébresztését követően egymás után el lehet végezni két EKG-jel mintavételezését (például az I. és II. elvezetésről). Ezt követően egy optikai méréssel meghatározhatjuk a páciens SpO₂ (százalékos oxigénszaturáció) értékét, majd egy impedanciamérést a bőr vezetőképességének meghatározásához (a stressz EDA-alapú mérése). Ezeknek a méréseknek a megvalósítási folyamatát a következő fejezetekben részletezzük.

3. ábra  Példa az ADPD4000 időszeletes működésű mérési szekvenciáira
3a. ábra  Időzítés egyetlen időszeleten belül
3b. ábra  Időszeletek sorrendje összetett mérési folyamatok esetén

Az EKG-mérések sokkal könnyebbé válnak

Egy EKG-mérés azoknak a villamos jeleknek az észlelésén alapul, amelyeket az emberi szív állít elő a szívizom elektromos potenciáljának kisülésekor (depolarizáció) és elektromos újratöltődésekor (repolarizáció), amely a szív minden működési ciklusa során megismétlődik. A jel amplitúdója tipikusan 0,5 mV-tól 4 mV-ig terjed, ismétlődési frekvenciája pedig a 0,05 Hz…40 Hz tartományba esik.
Az EKG-jelvizsgálatot csupán annak érdekében is végre lehet hajtani, hogy abból a szívfrekvenciát meghatározzuk, de sok más használati esetben sokkal inkább érdeklődünk a jelalak iránt, mivel azt szokásosan a szívműködés minőségének vizsgálatára vagy olyan potenciálisan fenyegető szív- és keringési események előrejelzésére is fel lehet használni, mint az artériás fibrilláció vagy a folyamatos magas vérnyomás. A szív elektromos aktivitását a bőrre helyezett elektródákkal is érzékelhetjük. Annak érdekében, hogy a diagnosztikai alkalmazásoknál garantálhassuk az állandó jó minőségű bőrkontaktust, tipikusan nedvesített elektródákat használunk. A legnépszerűbbek az ezüst/ezüstklorid (Ag/AgCl) -alapú elektródák. Kórházon kívüli alkalmazásban azonban ezeknek az elektródáknak igen kényelmetlen a használata, mert könnyen kiszáradnak és irritálhatják a bőrt. Az ilyen „kórházon kívüli” alkalmazásban gyakran használt száraz elektródáknak viszont az a hátránya, hogy az elektróda és a száraz bőr között rosszabb a kontaktus minősége, továbbá a száraz elektródák érzékenyebbek a mozgás közben keletkező „műtermékekre” (érzékelési hibákra), amelyek ebből adódóan a mérés pontosságát rontják.
A „kórházon kívüli” alkalmazásokban mindig kompromisszumot kell kötni a jó minőségű elektródák használata és a viselési komfort között. Az ADPD4000-család azonban megoldást kínál erre a problémára, mivel az elektróda minőségétől függetlenül teszi lehetővé a pontos mérést. Ahelyett, hogy a szokásos módon az elektródák közti feszültséget kezelné bemeneti adatként, az EKG bemeneti áramköre az érzékelőkondenzátoron felhalmozódó villamos töltést méri. Egy – passzív RC-tag és a mintavételi gyakoriság által meghatározott – optimalizált időállandóval a töltésérzékelés kiküszöböli a bőr és a kontaktusérintkezés bizonytalan impedanciájának hatását. Az 1. ábrán látható, hogyan csatlakozik az EKG-jel a csiphez egy RC-hálózaton keresztül. Ez az EKG bemeneti áramkör alapvető védettséget garantál a bőr és az elektróda közötti átmeneti impedancia változásai ellen.
A 4. ábra két EKG-jelalakot mutat. A bal oldali hullámot jó minőségű, 51 kΩ ellenállással és 47 nF kapacitással jellemezhető elektródapárral mérték. A jobb oldali jelalakot viszont nagy értékű soros kontaktimpedancia jellemzi, 510 kΩ kontaktimpedanciával és 4,7 nF kapacitással. Láthatóan az ADPD4000 az elektróda minőségétől függetlenül mindkét hullámformát csaknem azonosnak mutatja, az elektróda minőségétől függetlenül. Ez ennek a frontend-megoldásnak hatalmas előnye a piacon kapható más megoldásokhoz képest. Ennek az áramkörnek további kedvező tulajdonsága, hogy rendkívül energiahatékony, mivel a mintavételező áramkörnek nem kell aktívnak lennie, miközben a töltéstároló kondenzátort az EKG-jel tölti. Fogyasztása ezért mindössze 150…200 µW.

4. ábra  Két EKG-periódus különböző mindőségű elektródákkal mérve. Lényeges eltérés nem látható

PPG és bioimpedancia mérése

Az optikai mérésekhez ledmeghajtókra, a bioimpedancia-mérésekhez pedig olyan áramgenerátorokra van szükség, amelyek a mérés végrehajtásához szükséges áramot injektálják az emberi testbe. Sok optikai rendszernél több hullámhosszúságú fényt kell előállítani megfelelő ledek segítségével. Mindezek miatt jelentős mértékben kívánatos, hogy a csip gerjesztőkimenetei sokoldalúan legyenek felhasználhatók.
Az ADPD4000 nyolc kimeneti meghajtóáramkörrel rendelkezik, amelyek közül négy csatorna használható egyidejűleg csatornánként 200 mA maximális kimeneti árammal terhelve, vagy ha az összes csatornát használjuk, azok összterhelése nem haladhatja meg a 400 mA-t. A konfigurációtól függően akár több időszeletre is szétosztható a terhelés, azokat a saját hullámhossztartományú saját ledjükkel használva mérésre. Például optikai elven lehet szívfrekvenciát, százalékos oxigéntelítettséget, a test nedvességtartalmát vagy a folyadékhiányos állapot fokát (a dehidrációt) mérni. Minden csatornában van egy programozható transzimpedancia-erősítő, amit egy kétfokozatú zavarjelelnyomó egység követ a zavaró környezeti fények hatásának kiiktatására. Az ADPD41xx-család tagjai adó/vevőcsatornájának jel/zaj viszonya akár a 100 dB-t is elérheti, amely különösen alkalmassá teszi azokat az olyan optikai elvű mérésekre, mint az oxigénszaturáció vagy a vérnyomás becslése. Az optikai rendszer energiaigénye nagymértékben függ a rendszerkonfigurációtól, mint például a mintagyakoriságtól és az átlagolt mérések számától, valamint a led meghajtóáramától. Ezeken kívül függ még attól is, hogy az emberi test mely részén végezzük el a mérést, és hogy milyen feszes a páciens bőre.
Sok viselhető rendszer képes a bőr vezetőképességének mérésére az olyan alkalmazásokban, mint az EDA, a stressz vagy a lelkiállapot monitorozása. Ehhez egy ismert gerjesztőáramot kell a vizsgált testrészen átfolyatni, és mérni az elektródák közötti feszültségesést. Az ADPD4000-család támogatja ezeket a használati eseteket is. A csip kettő- vagy négyvezetékes mérési módra egyaránt konfigurálható. (Megjegyezzük, hogy az eszköz sem bővített képességű hullámforma-generátort, sem pedig digitális Fourier-transzformáló [DFT] célhardvert nem tartalmaz. Amennyiben tehát az impedanciaspektroszkópia módszerét kívánjuk használni, az ADPD4000 képességeit az AD5390 társcsippel kell kiegészíteni.) Az impedanciamérő funkció az elektródakontaktus minőségének meghatározására és az elektródakontaktus megszakadásának detektálására is felhasználható.
Mivel az ADPD4xxx nyolccsatornás analóg multiplexerrel rendelkezik, a fennmaradó bemenetek például feszültség, kapacitás, hőmérséklet vagy mozgás mérésére is felhasználható.

Majdnem ideális

Az ADPD4000/ADPD4001 bevezetésével sok további kihívásnak is meg tudnak felelni a tervezőmérnökök, amelyek elé a viselhető eszközök, a testre tapasztható érzékelők vagy gyógyszeradagolók tervezése állítja őket. Mindezekben a használati esetekben a teljesítőképesség, a méret és a teljesítményfelvétel egyaránt kritikus specifikációs igényként jelenik meg. Ez az új orvosbiológiai frontend a nagy teljesítőképességével, kétcsatornás szenzorbemenetével, stimulusokat előállító kimeneteivel, digitális jelfeldolgozó egységével és időzítésvezérlésével megfelel ezeknek a követelményeknek. Az ADPD4000 és az ADPD4001 már sorozatgyártásban van és rendelhető, sőt a következő generáció, az ADPD4100/ADPD4101 is várhatóan elérhetővé válik ez év folyamán. Ez az új generáció még jobb jel/zaj viszonnyal és olyan további hasznos tulajdonságokkal rendelkezik, amely segít a teljes rendszer teljesítményfelvételének további csökkentésében. Az a tény, hogy mindezek a funkciók egyetlen csipre integrálva állnak rendelkezésre, nem jelenti azt, hogy az elektronikai tervezőmérnök munkája feleslegessé válna – számos paraméter konfigurációjáról kell döntést hozni ahhoz, hogy minden végtermék saját önálló egyéniséggel rendelkezhessen.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerző: Jan-Hein Broeders, orvostechnikai üzletfejlesztési igazgató – Analog Devices

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás, Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457