Pulsossimetro BLE di Texas Instruments

Le apparecchiature elettromedicali trovano numerose applicazioni nella misurazione e nel monitoraggio di parametri vitali. In questo articolo viene presentato il progetto di un pulsossimetro di Texas Instruments con modulo Bluetooth Low Energy, nello specifico un dispositivo portatile per applicazioni a bassa potenza (low power) ad elevate prestazioni, utilizzato per misurare il livello di saturazione di ossigeno nel sangue.

DESCRIZIONE HARDWARE E CIRCUITO

Analizziamo ora l'hardware del dispositivo e la relativa descrizione della circuiteria. Un pulsossimetro, nella sua configurazione di base, è dotato di una sonda di rilevamento collegata al dito (o, in alternativa, in altri punti del corpo) e di un sistema di acquisizione dati per calcolare e visualizzare il livello di saturazione dell'ossigeno, la frequenza cardiaca ed il flusso sanguigno. Nello specifico, si tratta di un dispositivo con prestazioni elevate che consiste in un AFE4400, un front-end-analogico (Analog Front End) completamente integrato e con package compatto e range di temperatura operativa da 0 a 70 °C, utilizzato in applicazioni per cardiofrequenzimetri e pulsossimetri a basso costo, costituito da un canale ricevitore a basso rumore con un convertitore analogico-digitale integrato (ADC), una sezione di trasmissione LED, diagnostica per rilevamento sensore e guasto LED. Il dispositivo è un controller di temporizzazione configurabile, questa flessibilità consente all'utente di avere il controllo completo delle caratteristiche di temporizzazione del dispositivo. Il dispositivo comunica con un microcontrollore esterno o un processore host tramite un'interfaccia SPI.

I componenti aggiuntivi sono un microcontrollore (MCU, Micro Controller Unit) a bassissima potenza per il calcolo della saturazione di ossigeno, un modulo wireless basato su Bluetooth Low Energy (BLE) per lo scambio di informazioni con device (smartphone, tablet o PC), un sensore di movimento per il monitoraggio costante dell'attività dell'utente, una sonda di rilevamento, RAM ferroelettrica (FRAM) per la registrazione dei dati, una batteria ricaricabile ai polimeri di litio, un caricabatterie e un indicatore del livello di carica della batteria.

Figura 1. AFE4400 di Texas Instruments

I pulsossimetri richiedono, in genere, un consumo di energia molto basso e guide di alimentazione a basso rumore per supportare una durata della batteria prolungata e, al contempo, misurazioni di precisione. I convertitori buck-boost di Texas Instruments offrono supporto per le tecnologie delle batterie agli ioni di litio ed un'efficienza pari al 96%. I requisiti per la ricarica con presa a muro e porta USB possono essere affrontati con la famiglia di caricabatterie a cella singola a basso consumo di litio di Texas Instruments. I dispositivi di ultima generazione garantiscono estensione della durata della batteria e del tempo di funzionamento del sistema.

I componenti base per l'acquisizione e il condizionamento del segnale sono il LED, il fotorilevatore e l'AFE. Alcuni AFE disponibili in commercio, come l'AFE4400 di Texas Instruments, integrano sia i circuiti del driver LED, sia la circuiteria di condizionamento del segnale del fotodiodo in un unico pacchetto. La circuiteria del fotodiodo incorporata in questi dispositivi può amplificare correnti inferiori a 1 µA con 13 bit di risoluzione. Quando attivo, l'AFE consuma meno di 3 mA di corrente.

Figura 2. Diagramma a blocchi dell'hardware (AFE4400)

In questo progetto, il microcontrollore viene utilizzato per calcolare la frequenza cardiaca, unire i dati del sensore di movimento ed elaborare le informazioni AFE. Il microcontroller dovrebbe disporre anche di un budget energetico limitato perché sarà sottoposto a funzionamento continuo senza dover scaricare le batterie. I sensori sono una parte fondamentale dell'interfaccia uomo-macchina (HMI), infatti, aiutano il sistema a identificare il contesto e le condizioni ambientali. I sensori di movimento come accelerometri, giroscopi e magnetometri aiutano a identificare se una persona è seduta, cammina o corre, sono elementi chiave per identificare l'orientamento del braccio, del polso o di altre parti specifiche del corpo. Il sistema dispone di collegamenti di comunicazione sia wireless che cablati; il collegamento di comunicazione wireless si basa su Bluetooth Low Energy, mentre la comunicazione cablata si basa su USB 2.0. L'USB viene anche utilizzato per caricare la batteria ai polimeri di litio.

ALIMENTAZIONE

Il caricabatterie funziona da una porta USB o un adattatore AC e supporta correnti di carica fino a 1.5 A. La precisione del limite di corrente di ingresso USB e la sequenza di avvio consentono al caricabatterie di soddisfare le specifiche della corrente di spunto USB-IF. Inoltre, la gestione dinamica dell'alimentazione in ingresso impedisce al caricabatterie di arrestarsi in modo anomalo nelle sorgenti USB configurate in modo errato. Il dispositivo richiede una configurazione utente minima e lo sviluppo del firmware del microcontrollore di sistema. L'indicatore del livello di carica della batteria fornisce informazioni quali la capacità residua della batteria (mAh), lo stato di carica (%) e la tensione della batteria (mV).

Figura 3. Schema del pulsossimetro

In Figura 3 sono visibili i componenti del sistema, le corrispondenze con i colori sono:

  • azzurro: batteria ai polimeri di litio;
  • viola: indicatore livello batteria;
  • giallo: caricabatteria;
  • verde: AFE4400;
  • rosso: FRAM; 
  • blu: modulo BLE. 

Nella figura a destra sono, invece, indicati il sistema di acquisizione dati sull'orologio e la sonda di rilevamento.

REALIZZAZIONE DELLA MISURAZIONE

L'applicazione richiede un PC, un Serial Dongle BlueRadios USB insieme al sistema di acquisizione dati dell'orologio da polso e alla sonda di rilevamento. Il dispositivo in figura si collega all'app tramite Bluetooth a basso consumo energetico (Bluetooth Low Energy).

Figura 4. Descrizione dell'hardware per l'applicazione con collegamento a PC

L'app Health Hub è progettata per consentire il controllo e la visualizzazione di molti dispositivi di monitoraggio dello stato abilitati Bluetooth Low Energy su una singola schermata. Lo schermo è diviso in più aree discrete ed ogni area consente un controllo dispositivo di monitoraggio dello stato abilitato BLE specifico.

Figura 5. Interfaccia GUI di Health Hub per PC

Il primo passo per avviare una connessione a un dispositivo Health Hub è fare in modo che il PC trovi il dispositivo. Per trovare un dispositivo è necessario premere il pulsante "Discover Devices".

Figura 6. Pannello anteriore della GUI del PC prima e dopo la ricerca di dispositivi di monitoraggio dello stato abilitati BLE

Il secondo passaggio è formare una connessione.

Figura 7. Dispositivo abilitato BLE non trovato

Dopo aver trovato il dispositivo, apparirà il controllo del dispositivo come in figura e sarà possibile stabilire la connessione.

Figura 8. Dispositivo trovato: è possibile stabilire la connessione

Quando si preme il pulsante "Connetti", verrà mostrato un selettore come in figura.

Figura 9. Selezione del dispositivo desiderato dall'elenco

Quando il dispositivo che si è scelto (PulseOx211) viene selezionato dall'elenco, l'app crea una connessione al dispositivo tramite Bluetooth Low Energy. Dopo la connessione potrà iniziare il controllo sul dispositivo.
L'orologio deve essere allacciato comodamente attorno al polso dell'utente, il cavo del sensore deve essere collegato alla porta micro USB accanto all'interruttore ON/OFF vicino al logo degli strumenti Texas, mentre il sensore deve essere fissato su una delle dita dell'utente (Figura 10). In Figura 11 sono visibili alcuni risultati della misurazione.

Figura 10. Impostazione della misurazione

 

Figura 11. Risultati della misurazione

 

RIFERIMENTI PROGETTUALI

[1] Datasheet AFE4400

[2] Reference Design

[3] Serial Dongle BlueRadios USB

 

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