Беспроводной датчик пульса и содержания кислорода в крови от Texas Instruments

24 октября

медицинапотребительская электроникалабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологиисредства разработки и материалы

Александр Калачев (г. Барнаул)

Интегральный фотоплетизмограф AFE4420, беспроводная система-на-кристалле CC2640R2F, два преобразователя напряжения, фото- и светодиоды плюс элемент автономного питания – основа типовой разработки портативного пульсоксиметра, представленного компанией Texas Instruments. 

Одним из перспективных направлений развития портативной электроники являются устройства медицинского назначения, отслеживающие один или несколько параметров жизнедеятельности человеческого организма и обладающих такими функциями как, например, снятие ЭКГ, измерение частоты сердечных сокращений, частоты дыхания, температуры тела, подсчет количества шагов, измерение количества сахара в крови и так далее. Потенциал технологии портативных медицинских устройств огромен – от простого мониторинга состояния их владельца до распределенного сбора статистики для определения ранних признаков заболеваний, поскольку начало многих заболеваний может начинаться относительно незаметно и сопровождаться, на первый взгляд, несвязанными между собой признаками.

Одним из основных показателей нормально функционирующего организма является насыщенность артериальной крови кислородом. Этот параметр отражается на числе эритроцитов, а определить его помогает пульсоксиметрия (пульсовая оксиметрия).

В терапевтической практике пульсоксиметрия производится в случае патологии органов дыхания, нарушениях сна с остановкой дыхания, предполагаемом цианозе разной этиологии, в целях контроля терапии хронической патологии.

Постоянное наблюдение пульса и содержания кислорода в крови может помочь выявить предрасположенность к указанным недомоганиям и принять превентивные меры.

Проект TIDA-010029

Элементная база, предлагаемая компанией Texas Instruments, позволяет реализовать множество вариантов датчиков пульса и содержания кислорода в крови с различным функционалом. Одним из наиболее предпочтительных для конечного пользователя вариантов является наличие у портативного датчика беспроводного интерфейса, что позволяет при необходимости отображать данные в реальном времени, вести их запись или просматривать статистику.

Проект TIDA-010029 (рисунок 1) является опорной разработкой беспроводного бесконтактного пульсоксиметра с интерфейсом BLE, измеряющего содержание кислорода в крови (SpO2) и частоту сердечных сокращений (HRM).

Рис. 1. TIDA-010029 – разработка беспроводного бесконтактного пульсоксиметра с интерфейсом BLE

Рис. 1. TIDA-010029 – разработка беспроводного бесконтактного пульсоксиметра с интерфейсом BLE

В его аппаратной части есть микросхема AFE4420, которая представляет собой однокристальное устройство для измерений по методу фотоплетизмографии (PPG). AFE4420 поддерживает до четырех светодиодов и фотодиодов, что позволяет получать до 16 различных измерительных комбинаций с коррекцией засветки. Беспроводная система-на-кристалле (СнК) CC2640R2F передает измеренные данные для последующей обработки. На выходе доступны необработанные данные для расчета частоты сердечных сокращений, SpO2 и других связанных параметров. Два встроенных светодиода индицируют обнаружение критического разряда батареи и наличие соединения Bluetooth. Устройство имеет батарейное питание от элемента типа CR3032.

AFE4420 и CC2640R2F связываются посредством интерфейсов SPI или I2C. Оба указанных ключевых компонента обеспечивают высокую производительность и выполнение требуемых функций при невысоких, что важно для портативных устройств, затратах энергии. Так, при рекомендованной для проекта батарее длительность автономной работы составит порядка 30 дней при передаче набора данных один раз в секунду.

Измеряемые параметры

Методики применения фотоплетизмографии основаны на измерении светового потока определенной длины волны, прошедшего или отраженного (в зависимости от взаимного расположения источника и приемника излучения) от объемного органа или части тела. При этом может измеряться не только интенсивность излучения, но и ее колебания во времени.

Применительно к человеческому телу фотоплетизмография (PPG) позволяет, в зависимости от выбранной длины волны излучения, определять частоту сердечных сокращений (HRM), ток крови и кровяное давление. Это зависит, прежде всего, от разницы в оптических характеристиках тканей сосудов и крови, ее содержания и насыщении кислородом (SpO2), состояния гемоглобина (насыщен он кислородом в данный момент или нет) и длины волны излучения.

По частоте пульсаций отраженного или прошедшего оптического излучения определяется частота сердечных сокращений. Данные измерения проводятся обычно на длинах волн видимого излучения – в зеленом или красном свете – из-за его меньшей глубины проникновения в ткани. В проекте TIDA-010029 для измерения частоты сердечных сокращений применяется зеленый свет, и все измерения ведутся в отраженном луче.

Насыщение крови кислородом рассчитывается на основе измерения переменной и постоянной составляющих сигналов в красной и инфракрасной частях спектра. Вычисляется соотношение по формуле 1:

$$R=\frac{A_{Cred}\times D_{Cir}}{A_{Cir}\times D_{Cred}},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

  • ACred, ACir – переменные составляющие сигналов в красной и инфракрасной частях спектра;
  • DCir, DCred – постоянные составляющие сигналов.

Далее по эмпирическому соотношению, специфичному для каждого PPG-устройства, вычисляется уровень насыщения крови кислородом (SpO2). Для рассматриваемого проекта это соотношение выглядит следующим образом (формула 2):

$$SpO_{2}=110-\left(25\times R \right)\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Структурная схема опорного проекта TIDA-010029

Структурная схема TIDA-010029 представлена на рисунке 2. В его состав, помимо аналоговой измерительной PPG-системы AFE4420 и BLE-чипа CC2640R2F, входят преобразователи напряжения TPS61099 и TPS63036. TPS61099 формирует напряжение 4,2 В для питания встроенных светодиодных драйверов AFE4420. TPS63036 применяется для питания аналоговой части AFE4420, ее линий ввода вывода, и задает напряжение для вывода VDDS3 беспроводного микроконтроллера CC2640.

Рис. 2. Структурная схема TIDA-010029

Рис. 2. Структурная схема TIDA-010029

Сам беспроводной контроллер запитывается непосредственно от батареи CR3032. Такое решение возможно благодаря следующим факторам:

  • выходное напряжение батареи достаточно стабильно вплоть до момента ее глубокого разряда;
  • устройства серии СС2640 обладают широким диапазоном входных напряжений питания;
  • в проекте реализовано программное отслеживание уровня разряда батареи.

Ключевое свойство преобразователей питания – низкий ток собственного потребления, высокая эффективность преобразования при малых нагрузках (при токах потребления порядка 1…10 мкА, характерных для режимов низкого потребления контроллера СС2640) и высокие предельные токи нагрузки до 200…1000 мА (что хорошо для систем с преимущественно импульсным потреблением тока, характерным для беспроводных цифровых узлов).

Суммарное энергопотребление TIDA-010029 зависит от периодичности передачи данных по радиоканалу, режима работы AFE4420 (частоты опроса датчиков) и рабочего тока светодиодов. Измерения дают значения потребляемого тока в пределах 5 мА, что при емкости CR3032 в 500 мА дает порядка 98 часов работы.

Оценка времени автономной работы в зависимости от режима и настроек представлена в таблице 1.

Таблица 1. Расчетное время работы TIDA-010029 при различных условиях

Режим Ток активного состояния, мА Ток в пассивном состоянии, мкА Время работы при режиме 1 с/мин, дней Время работы при режиме 5 с/мин, дней Время работы при режиме 20 с/мин, дней
Выключено 4,09 27 220 57 15
Дежурный 4,09 32 209 56 15
Ожидание 4,09 627 30 22,7 11,7

Плата поддерживает подключение внешней памяти для ведения лога, но сама память не входит в комплект поставки. С помощью светодиодов индицируется разряд батареи и статус BLE-соединения.

Все линии ко внешним устройствам (в частности к сенсорной плате и к JTAG-интерфейсу) защищены от электростатических разрядов диодами TPD1E10B06.

Для PPG-измерений в проекте задействуются три светодиода с длинами волн 526, 660 и 950 нм и два фотодиода. Все указанные элементы являются составляющими интегральной диодной сборки SFH7072 и подключаются к AFE4420 (рисунок 3).

Рис. 3. Интегральная диодная сборка SFH7072

Рис. 3. Интегральная диодная сборка SFH7072

Запуск и работа устройства

Для запуска проекта и работы с ним необходимо следующее:

  • основная плата TIDA-010029;
  • сенсорная плата с SFH7072;
  • батарейка CR3032;
  • отладочная плата LAUNCHXL-CC2640R2.

Из программного обеспечения понадобятся:

  • Code Composer Studio™ (CCS) версии 7 или выше с установленными расширениями для CC26xx;
  • SIMPLELINK-CC2640R2-SDK;
  • Lab VIEW™ 2016 Development Engine or Runtime Engine (32-bit);
  • JAVA Runtime Engine (32-bit).

Дополнительно скачивается приложение Lab VIEW для TIDA-010029 по ссылке на страницу проекта.

Для прошивки Firmware плату TIDA-010029 необходимо подключить к LAUNCHXL-CC2640R2 (схема подключения представлена на рисунке 4). LAUNCHXL-CC2640R2 подключается к ПК.

Рис. 4. Схема подключения TIDA-010029 к LAUNCHXL-CC2640R2

Рис. 4. Схема подключения TIDA-010029 к LAUNCHXL-CC2640R2

Далее нужно вставить батарейку в TIDA-010029, включить переключатель S2 и замкнуть джампер J8. На ПК запускается Code Composter Studio и импортируется проект:

  • в меню выбирается пункт Import CCS projects;
  • в окне выбора пути переходим к месту установки программного обеспечения TIDA-010029 – по умолчанию C:\ProgramFiles (x86)\TexasInstruments\TIDA-010029\TIDA-010029_firmware;
  • импортировать следует все обнаруженные проекты – два проекта для передатчика и два для приемника;
  • в Project Explorer выбираем проект TIDA-010029_firmware_tx;
  • запускаем прошивку и отладку проекта (кнопки «Run» и «Debug»);
  • плата TIDA-010029 отключается от LAUNCHXL-CC2640R

Итак, передающая сторона настроена.

Для настройки принимающей стороны джамперы на плате LAUNCHXL-CC2640R2 возвращаются в исходные состояния. Запускается исполнимый файл Setup_TIDA-010029.exe и проводится процесс установки приложения (рисунок 5). Приложение после установки запускается.

Рис. 5. Установка приложенияTIDA-010029 на ПК

Рис. 5. Установка приложенияTIDA-010029 на ПК

В конфигурационной вкладке окна приложения (рисунок 6) нужно убедиться, что указанные пути совпадают с реальным расположением приложений и файлов:

  • путь к CSS должен быть установлен на – <CCSinstallationpath>\ccsv7\ccs_base;
  • путь к файлу прошивки (*.out) – <installation folder>\TIDA-010029_firmware\TIDA-010029_firmware_rx\FlashROM_StackLibrary\TIDA-010029_firmware_rx.out.

Рис. 6. Запуск приложения TIDA-010029

Рис. 6. Запуск приложения TIDA-010029

Нажатие кнопки «START/STOP» позволяет соединиться с LAUNCHXL-CC2640R2, установить на ней указанную прошивку и запустить процесс приема данных (плата TIDA-010029 должна быть включена сразу после нажатия кнопки «START/STOP» в приложении). Переключение между вкладками HRM/SpO2 позволяет наблюдать сигналы в отраженном свете зеленого светодиода для получения частоты пульса (HRM) или получаемое значение насыщения крови кислородом (SpO2), получаемое на основе отраженных сигналов красного и инфракрасного светодиодов (рисунок 7).

Рис. 7. ТестированиеTIDA-010029

Рис. 7. ТестированиеTIDA-010029

Типовой алгоритм работы с TIDA-010029 выглядит примерно так:

  • плата LAUNCHXL-CC2640R2 подключается к ПК через USB-порт;
  • запускается приложение TIDA-010029;
  • TIDA-010029 прикладывается к телу, например, к пальцу, руке, сенсорной платой к коже;
  • при необходимости проверяется корректность путей для файлов среды разработки и файлов прошивки;
  • нажимается кнопка «START/STOP» на конфигурационной вкладке приложения;
  • TIDA-010029 включается изменением положения переключателя S2, при этом в конфигурационной вкладке приложения на ПК появятся следующие сообщения:


Welcome...

Advanced filtering is disabled in the Run Time Engine

PASS // core0 connected as Cortex_M3_0...

PASS // program file loaded on core0...

PASS // program running on core0...
  • как только TIDA-010029 установит беспроводное соединение с LAUNCHXL-CC2640R2, отобразится статус подключения, и приложение автоматически переключится на вкладку HRM, где будет отображаться график сигнала;
  • завершение работы осуществляется также кнопкой «START/STOP» на конфигурационной вкладке приложения.

Заключение

Опорная разработка TIDA-010029 может быть использована для таких измерений как фотоплетизмография (PPG), мониторинг сердечного ритма (HRM) и насыщение периферических капилляров кислородом (SpO2). Может служить макетным вариантом устройств для:

  • беспроводного мониторинга пациентов;
  • «медицинского электронного пластыря» – портативного устройства с батарейным питанием, фиксирующегося на коже человека аналогично обычному пластырю;
  • пульсового оксиметра и тому подобных устройств.

Литература

  1. TIDA-010029 Wearable, 16-phase multi-sensor SpO2 and heart rate monitor (HRM) reference design with Bluetooth® 5 _ TI.com. 
  2. Design Guide: TIDA-010029 Wearable, 16-phase multi-sensor SpO2 and heart rate monitor (HRM) reference design with Bluetooth® 5.
•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
AFE4420YZR (TI)
AFE4420YZT (TI)
AFE4420EVM (TI)
CC2640R2FRGZT (TI)
CC2640R2FRHBR (TI)
CC2640R2FTWRGZRQ1 (TI)
CC2640R2FRHBT (TI)
TPS610992YFFT (TI)
TPS610994YFFT (TI)
TPS610996YFFT (TI)
TPS61099YFFT (TI)
TPS63036YFGT (TI)
TPS63036YFGR (TI)
TPD1E10B06DPYT (TI)
TPD1E10B06DPYR (TI)
LAUNCHXL-CC2640R2 (TI)