Tecnología de convertidor de capacitancia a digital ADI en aplicaciones de atención médica

Introducción

En los últimos años, los avances en la tecnología electrónica han hecho posible muchas innovaciones y mejoras en la industria de la salud. Los desafíos para los equipos de atención médica incluyen el desarrollo de nuevos métodos de diagnóstico y tratamiento, lo que permite la supervisión remota y los dispositivos de atención médica en el hogar, la mejora de la calidad y la confiabilidad, y la mejora de la flexibilidad y la facilidad de uso.

Durante más de 40 años, la cartera integral de Analog Devices de tecnologías lineales, de señal mixta, MEMS y de procesamiento de señales digitales ha ayudado a marcar la diferencia en los diseños de atención médica en áreas como instrumentación, imágenes y monitoreo de pacientes. Este artículo se centrará en convertidor de capacitancia a digital (CDC), que permite el uso de detección de capacitancia de alto rendimiento en aplicaciones de atención médica.

Controlador de sensor táctil capacitivo: un nuevo método de entrada de usuario

A sensor táctil capacitivo proporciona una interfaz de usuario en forma de botón pulsador, barra deslizante, rueda de desplazamiento u otras formas similares a los ejemplos que se muestran en la Figura 1.

Cada área geométrica azul representa un electrodo sensor en una placa de circuito impreso (PCB) que forma una placa de un capacitor virtual. La otra placa está formada por el dedo del usuario, que está esencialmente conectado a tierra con respecto a la entrada del sensor. El AD7147/AD7148 CapTouch^™ La familia de controladores, diseñada para activar e interactuar con sensores táctiles capacitivos, mide los cambios de capacitancia de los sensores de un solo electrodo. El dispositivo primero emite una señal de excitación para cargar la placa del capacitor. Cuando un objeto, como el dedo del usuario, se acerca al sensor, se forma el capacitor virtual y el usuario actúa como la segunda placa del capacitor (Figura 2). La capacitancia se mide usando un convertidor de capacitancia a digital (CDC).

El CDC, capaz de detectar cambios de capacitancia de los sensores externos, utiliza esta información para registrar la activación de un sensor. El AD7147 y el AD7148, con 13 y ocho entradas de sensores de capacitancia, respectivamente, tienen una lógica de calibración en el chip que compensa los cambios de medición causados ​​por cambios en el entorno ambiental, lo que garantiza que no haya activaciones falsas en los sensores externos debido a cambios de temperatura. o humedad.

El AD7147 y el AD7148 ofrecen varios modos operativos, secuencias de conversión programables por el usuario y funciones de control muy flexibles. Estas características los hacen ideales para funciones de sensores táctiles de alta resolución, como barras deslizantes o ruedas de desplazamiento, con requisitos mínimos de software. Además, las aplicaciones de sensores de botón se pueden implementar completamente mediante lógica digital en el chip sin ningún requisito de software.

Conceptos básicos de detección y medición de capacitancia

Capacidad es la capacidad de un condensador para almacenar energía en un campo eléctrico. En su forma nominal, un capacitor de placas paralelas, la capacitancia, Ces una medida de la carga, qalmacenado en un capacitor a un voltaje dado, Vy se calcula por

La esencia de la técnica de detección y medición de capacitancia se muestra en la Figura 3 para un capacitor de placas paralelas.

Un condensador de placas paralelas consta de dos conductores (placas metálicas) y se caracteriza por

• Conductor área, a × b
• Distancia, dentre las dos placas conductoras
• Material dieléctrico entre dos conductores, caracterizado por la constante dieléctrica, mi_r
• La capacitancia, basada en esta geometría, se calcula mediante

dónde mi₀ es la permitividad del espacio libre.

El dispositivo CDC aplica una excitación a una placa del capacitor y mide la carga almacenada en el capacitor; luego, el resultado digital está disponible para el host externo. Cuatro tipos de sensores de capacitancia, que se muestran en la Figura 4, se diferencian por la forma en que se aplica la excitación.

Debido a que la capacitancia del sensor está determinada por a, b, dy mi_r, variando los valores de estos parámetros, u observando variaciones en sus valores, permite que la tecnología CDC se utilice para la medición directa del valor de la capacitancia, así como para muchos otros tipos de aplicaciones, según los tipos de sensores. Por ejemplo, si a, by mi_r son constantes, la salida de CDC es inversamente proporcional a la distancia entre dos conductores.

Aplicaciones

Las familias de productos CDC AD714x, AD715x y AD774x son adecuadas para una amplia gama de aplicaciones, que involucran varias frecuencias de muestreo, resoluciones, rangos de entrada y tipos de sensores de entrada. Aunque las posibles aplicaciones de la detección de capacitancia están limitadas solo por la creatividad del usuario, aquí hay algunas ideas para aplicaciones en el campo de la salud.

Monitoreo de nivel de líquido

En muchas aplicaciones, como las transfusiones, se debe medir la cantidad de líquido utilizado o se debe cerrar el flujo antes de que se vacíe la botella de infusión. Para ahorrar tiempo al personal médico, la detección automática del nivel de líquido puede ayudar a eliminar la necesidad de controles manuales.

El principio básico para la detección del nivel de líquido se muestra en la Figura 5. Construya un condensador de placas paralelas con placas que se adhieran firmemente a la pared exterior de la botella de infusión y se extiendan hasta cerca del fondo de la botella. A medida que cambia el nivel del líquido de infusión, cambia la cantidad de material dieléctrico entre las placas, produciendo así un cambio en la capacitancia. Para permitir el uso de varias sustancias de infusión con diferentes constantes dieléctricas, un segundo sensor capacitivo ubicado cerca de la parte inferior actúa como un canal de referencia para producir mediciones radiométricas.

El AD7746 de 24 bits, con sus dos canales de medición de capacitancia, podría ser útil para este tipo de aplicación.

Detección de conectividad entre electrodos y cuerpo humano

Para los dispositivos destinados a operar cerca de la piel humana, como los que se muestran en la Figura 6, a menudo es beneficioso tener información sobre la calidad del contacto entre el área de la superficie del dispositivo y la piel del paciente, antes de que se active el dispositivo o se realice una medición. se toma. La gama de usos finales podría incluir una sonda médica que necesita descansar al ras de la piel, un sensor de electrodo de biopotencial o la carcasa que sostiene un tubo de catéter en su lugar. Para obtener esta información adicional, varios electrodos de sensores capacitivos, que se muestran en azul, podrían incrustarse directamente en la carcasa de plástico de un dispositivo en la etapa de moldeo por inyección durante la fabricación. Una vez que la información de los electrodos está disponible, se puede aplicar un algoritmo simple que se ejecuta en el controlador principal para determinar si todos los electrodos del sensor estaban haciendo contacto adecuado con la piel.

Los ejemplos que se muestran en la Figura 6 usan sensores capacitivos de una manera no convencional: un usuario coloca un dispositivo que contiene los electrodos de detección capacitivos en el cuerpo humano, en contraste con las aplicaciones de interfaz humana de detección capacitiva tradicionales, donde una persona normalmente inicia el contacto con los electrodos del sensor. por toque de dedo. Desarrollar el tipo de aplicaciones que se muestra en la Figura 6 es bastante sencillo con el AD7147/AD7148.

Detección de sudor

En algunos equipos médicos y de prueba de condición física, existe la necesidad de medir la transpiración de un cuerpo humano. Esto normalmente se realiza midiendo la conductividad eléctrica de la piel. Sin embargo, si es necesario realizar la medición sin contacto galvánico, esta función se puede implementar detectando la humedad cerca del cuerpo humano mediante un sensor de capacitancia.

Cuando las personas sudan, aumenta la humedad (constante dieléctrica) cerca de la piel humana; podría usarse un electrodo sin contacto en esta vecindad para medir el cambio resultante en la capacitancia.

Puede ser útil agregar un segundo sensor de capacitancia para medir la humedad ambiental y usarlo para la compensación de modo común.

Medición de la frecuencia respiratoria

La medición de la frecuencia respiratoria es un módulo importante en los sistemas de monitorización de pacientes.

En un enfoque, que se muestra en la Figura 7, se coloca una placa de excitación en la espalda del paciente mientras se sujeta el cinturón de electrodos del sensor en el lado derecho del pecho del paciente. A medida que los pulmones se llenan y se vacían, los movimientos torácicos resultantes cambian la distancia entre dos placas. La constante dieléctrica también cambiará debido a las complejas actividades fisiológicas durante la respiración. Estos cambios de capacitancia se pueden medir con dispositivos CDC.

La razón por la que el electrodo del sensor se coloca en el lado derecho del pecho del sujeto es que esta posición recibe el menor impacto de otras actividades fisiológicas. Sin embargo, podría ser posible obtener más información sobre las funciones corporales colocando múltiples electrodos sensores en diferentes posiciones en el pecho del paciente. Este puede ser un tema interesante para futuras investigaciones.

Medición de la presión arterial

En las aplicaciones de medición de la presión arterial que utilizan un manguito inflable, una tarea importante es medir la presión en la válvula de aire. Un sensor capacitivo se puede usar fácilmente en este tipo de aplicaciones de detección de presión.

Como se muestra en la Figura 8, el diafragma del sensor de presión está hecho básicamente de dos placas capacitivas. A medida que se aplica presión al sensor, las placas capacitivas se acercan. La distancia reducida entre las placas aumenta la capacitancia.

Se puede usar un sensor de temperatura para detectar el cambio de temperatura del sensor para compensar su cambio de características con la temperatura. La familia AD774x tiene un sensor de temperatura interno para medir la temperatura en el chip y un canal de voltaje ADC adicional que se puede usar para medir la temperatura en el sitio del sensor.

Conclusión

Este artículo, una breve introducción a los avances en la tecnología CDC en Analog Devices, sugiere el enorme potencial de las técnicas CDC en las aplicaciones de atención médica. Sin embargo, el diseño del sensor, incluido el patrón, el tamaño y la posición, el diseño detallado del circuito electrónico asociado y la necesidad de una investigación profunda, experimentos completos y pruebas efectivas dependen de manera crítica de la naturaleza de cada aplicación, por lo que simplemente esperamos estimular creatividad sugiriendo aquí algunas posibilidades.

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Referencias

Página de inicio de ADI CDC: http://www.analog.com/cdc.

Página de inicio de ADI Healthcare: http://healthcare.analog.com.

Prutchi, David y Michael Norris. Diseño y Desarrollo de Instrumentación Electrónica Médica. ISBN 0-471-67623-3. John Wiley & Sons, Inc., 2005. Puede encontrar información sobre todos los productos ADI en www.analog.com.