Side 20

APPARATTEKNIK Design af en ultra low-power livstegnsmonitor på klinisk niveau Vi skal i denne artikel se på forskellige måder til måling og monitering af en patients vitale livstegn blandt andet med brug af Analog Devices/Maxim Integrated MAX86178 analoge front end (AFE) IC til udførelse af disse målinger. Det er en innovativ og højeffektiv løsning, der understøtter en række livstegnsmoniteringsmetoder, der opfylder de nyeste kliniske krav – og forbrugernes behov Af Mark Patrick, Mouser Electronics Illustrationer: Analog Devices/Maxim Integrated Vores krops livstegn – som puls eller hjerterytme – er tidligere typisk blevet udført i et klinisk miljø, hvor sundhedsperso- nale har tilsluttet elektroder og betjent udstyret. Det kan være nødvendigt i mange til- fælde, men der er også fordele Disse bevægelser ændrer den reflekterede lysmængde og dermed også output for fo- todioden. Med brug af LED’er med forskellige bølgelængder er det muligt at isolere den lys- mængde, der bliver absorberet af arterierne (kraftig rød og ilt- fyldt blod) fra venernes (mør- kere rød og med mindre iltind- hold) for derved at bestemme iltmængden i en målt persons blod. Da PPG-detekteringsme- toden bruger en simpel optisk sti og ingen elektrisk kontakt til lere og lægepersonale specifik information om en persons overordnede helbred og hjer- tefunktion. Hver del af EKG- signaler relaterer til koncentra- tionen af de enkelte grupper af hjertemuskler, der skal arbejde i en korrekt sekvens for at sikre en sund blodgennemstrøm- ning. EKG kræver placering af multiple elektroder på menne- skekroppen for at fungere. Om end det er en non-invasiv må- lemetode, så betyder behovet for placering af elektroderne, Figur 3: Arkitekturen i MAXREFDES106 livstegns-referencedesignplatformen. information end ”bare” hjer- terytmen. Designudfordringer i en livstegnsmonitor Der er en række udfordringer i designet af enhver bærbar konstruktion lige fra det om- givende miljø til muligheden Figur 1: EKG-baseret QRS-waveform giver klinisk personale vigtig information om en patients helbred. for at vise de målte resultater i kraftigt sollys. En præcis må- ling af livstegn for en person i ved at kunne måle en persons personen, der måles på, er det at modellen er mindre praktisk bevægelse giver også en ræk- livstegn uden for det kliniske en populær løsning til smart end PPG for ufaglærte brugere. ke mulige forstyrrelser fra støj. miljø. Fjernmonitering af per- watches og bærbare helbreds- ● Bioimpedance (BioZ) er også Forsyning af designet fra et soners helbred, vurdering af monitorer. en elektrisk måling, der kan op- genopladeligt batteri kræver atleters ydelse og en generel ● Elektrokardiogrammet (EKG) fange hjerterytmen med brug desuden velovervejede power- bevidsthed om eget helbred er en elektrisk målemetode på af elektroder forbundet til management teknikker og et er alle situationer, der kan have hjertets muskelvæv og dermed kroppen. Metoden ligner EKG, low-power mindset for at sikre, fordel af et håndholdt/bærbart én af de metoder, som måler men måler i stedet variationer at produktet opfylder kundens udstyr til måling af livstegn. biopotentialet på menneske- i kropsvævets impedans som forventninger til brugstid mel- kroppen. EKG har en udtalt elektriske signaler. lem opladninger. Selv om en Metoder til måling af livstegn Der er tre metoder til elektro- waveform-signatur (figur 1) , hvor de individuelle bidrag er betegnet som ”QRS-komplek- Ved at kombinere alle tre må- lemetoder kan man opnå en yderst pålidelig livstegnsmo- elektrodebaseret designme- todik giver et mere præcist billede af en persons livstegn, nisk detektering af en persons set”. Disse data giver behand- nitor, som giver langt mere så vil et stramt bånd rundt om puls/hjertefunktion: fotople- tysmografi (PPG), elektrokar- diogrammer (EKG) og bioim- pedans (BioZ). Hver metode har specifikke egenskaber, og valget er typisk defineret af den enkelte bruger-case. ● Fotopletysmografi (PPG) er en non-invasiv optisk måling af hjertets volumen. Metoden bruger belysning med en LED med en specifik bølgelængde på huden over et vaskulært område. En fotodiode op- samler det reflekterede lys og konverterer det målte lys til et elektrisk signal for efterføl- gende analyse. Når hjertet slår, så genererer denne cyklus en puls eller en trykbølge af blod igennem venerne, som igen medfører udvidelse og sam- mentrækning af blodkarrene. Figur 2: Arkitekturen i en kompakt livstegnsmonitor baseret på Analog Devices’/Maxim Integrateds MAX86178. brystet være ubekvemt at bru- ge i længere tid, og placering af klæbende pads tager tid at placere på brugeren. Ligesom for ethvert andet medicinsk produkt, der er pla- ceret direkte på kroppen, er der strenge sikkerhedskrav for lækstrømme og mulige ri- sici for at udsætte patienten for livsfarlige spændinger. Brugen af LED’er og fotodioder til PPG- detektering er derfor en langt mere bekvem metode til lang- sigtet monitering. Det giver dog mere komplekse kredsløb samt et behov for eliminering af lys fra omgivelserne og opti- ske isolationsteknikker, så lyset fra LED’en ikke rammer foto- dioden direkte. Analog Devices MAX86178 Analog Devices/Maxim Inte- grated MAX86178 er en ultra low-power livstegns-IC, der omfatter en synkroniseret PPG, EKG, og BioZ AFE i ét produkt til at udgøre en bærbar helbreds- monitor, men også et klinisk diagnosticeringsprodukt. IC’en indeholder en dybt inte- greret og omfattende analog front end. PPG-signalkæden supporterer op til seks LED’er forsynet af to kraftige 8-bit drivere. Receive-stien består af fire fotodioder og to lavstøjska- naler, der hver især indeholder 20-bit analog-/digital konver- tere (ADC’er). Kredsløb til elimi- nering af lys fra omgivelserne fungerer på begge receive- kanaler. EKG-signalkæden er en low- noise type med høj input- impedans, og den inkluderer støjfiltrering, ligesom der er en kalibreringsspænding, som udfører intern selvtest. Af yder- ligere funktioner kan nævnes et programmérbart gain, et anti-aliasing lavpasfilter og en højopløst ADC. EKG-funktio- nen opfylder de internationalt anerkendte standarder for ambulant EKG-monitering (IEC 60601-2-47). BioZ-kanalen har også en høj input-impedans, kalibreringsfunktion, en for- stærker med programmérbart gain samt filterfunktioner. MAX86178 er udført som en 49-bump wafer level-pakning (WLP) med dimensionerne 2,77mm × 2,57mm, og den kan fungere mellem -40°C og +85°C. Figur 2 viser arkitekturen i en integreret, batteriforsynet livstegnsmonitor kapslet som en patch. Monitoren anven- der MAX86178, bruger alle tre sensorkanaler og har des- uden Bluetooth-konnektivitet. MAX86178 kan opsamle data om hjertet som EKG-wave- forms, blodgennemstrømning med optisk PPG og åndedræts- måling med BioZ-målinger. Hjælp til udvikling Analog Devices tilbyder en reference-designplatform, der hjælper designteams med pro- totyping af livstegnsmonitorer. Bryst-patch referencedesignet, MAXREFDES106 (figur 3) , er en omfattende udviklingsplat- form baseret på MAX86178 IC’en. Platformen inkluderer MAX32674, en algoritme-hub med embeddede algoritmer designet specifikt til at fungere sammen med optiske senso- rer i medicinske wearables, en MAX20356 power manage- ment-IC samt et ADXL367, low- 20 nr. 2 | februar 2024 ALT I ESD UDSTYR  RING 76259090

Side 21

Power for Professionals Figur 4: Output fra Analog Devices’/Maxim Integrateds livstegns-udviklingsplatform. power, low-noise 3-axis acce- lerometer. MAX32666 værts- mikrocontroller med Blueto- oth 5-konnektiviter fuldender hardwarepakken. MAXREFDES106 gør det mu- ligt at måle iltning af blodet (SpO2), puls/hjerterate (HR), åndedrætsrate (RR), impedans- kardiografi (ICG), kropsimpe- dansanalyse (BIA) samt hud-/ omgivelsestemperaturer i en brystbåren platform. Figur 4 illustrerer måleeksempler fra platformen og fra den medle- verede software. Måling af vores livstegn giver healthcare-plejepersonale et præcist indblik i vores over- ordnede helbred. Prototyping af et sensorinterface, der kan arbejde samme med optiske sensorer og elektroder, kræver omfattende viden og erfaring. Derfor er tilgængeligheden af højt specialiserede, analoge front end-IC’er en betydelig designhjælp, og den analoge front end-IC, MAX86178, med sin tilhørende udviklingsplat- form forenkler i høj grad ud- viklingsforløbet i design af en bærbar livstegnsmonitor. Produktnyt SiTime leverer præcisions-timing med ny Epoch Platform SiTime Corporation, leve- randør af præcisions-timing- løsninger, lancerer sin SiTime Epoch Platform, der er desig- net til at løse selv de sværeste timing-udfordringer inden for elektronik gennem et brud med den over 100 år gamle kvartsbaserede teknologi. SiTime Epoch Platform er en MEMS-baseret, ovnstyret oscil- lator (OCXO), der leverer en ultrastabil clock til datacenter- og netværksinfrastrukturer, hvilket udgør et markedspo- tentiale på kumuleret to milli- arder USD i løbet af det næste årti. Over tiden vil Epoch- teknologien blive udvidet til andre vækstområder inden for elektronikken som aerospace og forsvar, industrielle styrin- ger og meget mere. SiTimes Epoch Platform æn- drer markedet med en højere ydelse og pålidelighed med lavere forbrug, som hidtil har været uset. Fordelene følger et halvt årtis investeringer i engi- neering og systembaseret ud- vikling med en kombination af MEMS, analog teknik, kapsling og algoritmer. Epoch vil sam- men med de nye produkter, der er blevet introduceret si- den 2020, udvide det årlige SAM for virksomhedens kommunika- tions- og forretningsmarkeder til 1,3 milliarder USD i 2024. Præcisions-timing er kritisk for netværkers ydelse og pålidelig- hed. Alle noder i netværket skal tidssynkroniseres. Alle noder i eksempelvis et 5G-netværk skal være synkroniserede inden for nogle få hundrede nanose- kunder, hvilket er en faktor 10 strengere end 4G. Dette synkro- niseringsniveau skal oprethol- des trods udfald på netværket. Ved at levere 2x bedre ydelse, 9x mindre størrelse og 3x la- vere forbrug i applikationer som datacenter-switche og -routere, 5G-basestationer og kerneinfra- strukturen sætter Epoch Plat- formen nye standarder for både ydelse og pålidelighed. I takt med at verden bliver klar til den næste generation af tek- nologier som brugen af AI og genopfindelsen af cloud-data- centret samt high-speed 5G/6G- mobilnetværk, bliver avance- rede kredsløbs- og netværks timing-løsninger mere kritiske i forhold til at sikre ydelse, fejl- tolerance og pålidelighed. AI er den mest disruptive, transforme- rende teknologiske innovation i årtier. Den højere båndbredde og lave data-latency, som data- centerinfrastrukturen kræver for support af AI, vil give behov for robust præcisions-timing i kritisk fortrådet og trådløs netværks- konnektivitet. Desuden vil disse teknologier også komme i brug i edgen og i felten, hvor hårde omgivelsesmiljøer vil kræve en større grad af robust- hed og højere pålidelighed end nogensinde før. Et synkroniseret netværk be- høver multiple, redundante timing-kilder for at sikre kon- tinuert drift. Én af disse kilder er en ultrastabil, lokal oscil- lator, typisk en OCXO, der vil ”holdover” netværket og sikre kontinuert drift, selv når andre timing-kilder bliver påvirket. Typiske OCXO’er er dog grund- læggende upålidelige og mi- ster præcision ved stress fra omgivelserne og faktorer som temperaturændringer og vi- brationer. Med Epoch Platform fjerner SiTime alle begrænsningerne fra kvarts OCXO’er. Epoch le- verer 2x længere holdover selv i stressede miljøer, så telecom- og cloudservice-leverandører kan sikre kontinuiteten af deres services under den virkelige verdens forhold. Nøglefunktioner for SiTimes Epoch Platform ● Enhver frekvens mellem 10- og 220MHz, programmérbar op til seks decimalers præci- sion. ● Otte timers holdover, og op til 12 timer med kompensation for ældning – 2x bedre end andre løsninger i real-world miljøer. ● ±1, ±3, ±5 ppb-frekvensstabi- litet over temperatur. ● Højeste driftstemperaturom- råder: -40°C til +95°C. ● 2,5V, 2,8V og 3,3V forsynings- spænding mulig. ● Mindre og lavere: 9mm x 7mm x 3,73mm. ● Digital styring med 5E-14 op- løsning: I2C- og SPI-interfaces. For mere information, se ven- ligst: www.sitime.com. BOMBERG – vi hjælper med det optimale design KUNDESPECIFIKKE PAKNINGER I LEDENDE SKUM AFLED VARME OPTIMALT MED SOFTTHERM® SORTIMENT AF D-SUB CONNECTOR LØSNINGER PROTEK – SIKKER BESKYTTELSE MOD ESD OG RF EMI-PAKNINGER STANDARD ELLER KUNDESPECIFICEREDE THERMAL MANAGEMENT / AFLED VARME OPTIMALT © Bisn ode 2 2 0 0 1 2 6 4 1 9 6 . . Å Å R R I I T T R R Æ Æ K K MED AAA !! Evan Stæhr WWW.BOMBERG.COM SALES@BOMBERG.COM Phone: +45 48 14 01 55 Fax: +45 48 14 01 56 YOUR TRUSTED SUPPLIER nr. 2 | februar 2024 21

    ...