Los dispositivos electrónicos portátiles controlan las constantes vitales y mucho más

La vigilancia de la salud se hace móvil

Cuando era pequeño, mi madre siempre se aseguraba de que tuviera suficiente cambio para hacer una llamada telefónica en caso de emergencia. Veinte años después, los teléfonos móviles nos han permitido hacer llamadas en cualquier momento y lugar. Después de otros 20 años de innovación, el teléfono ya no es la característica principal de nuestros dispositivos inteligentes, que pueden tomar hermosas fotos, transmitir audio y vídeo, proporcionar acceso a una amplia variedad de servicios, y ahora se convierten en nuestros entrenadores personales. Los dispositivos, cargados con sensores o conectados a sensores que se llevan en el cuerpo, controlan la actividad diaria y la salud personal. La creciente concienciación sobre nuestra salud ha alimentado el interés por medir parámetros vitales, como la frecuencia cardíaca, la temperatura, la saturación de oxígeno, la presión arterial, el nivel de actividad y las calorías quemadas, y por seguir sus tendencias diarias.

Ahora un front-end universal con múltiples sensores puede controlar estos parámetros. Los mayores retos son minimizar el tamaño y maximizar la duración de la batería. Este artículo presenta soluciones para el creciente mercado de la electrónica portátil.

El signo vital más importante

Sin los latidos del corazón tendríamos graves problemas, por lo que el pulso o la frecuencia cardíaca es, con mucho, el parámetro más importante a controlar. Además del número de latidos por minuto, queremos comprobar cómo se comporta el corazón en relación con la actividad. El ritmo también es importante, ya que los cambios rápidos en la frecuencia cardíaca son un signo de enfermedad cardíaca.

La monitorización de la frecuencia y la actividad cardiaca se realiza clásicamente midiendo el biopotencial con un electrocardiograma (ECG). Los electrodos conectados al cuerpo miden las señales causadas por la actividad eléctrica en el tejido del corazón. Este principio se utiliza en los sistemas de diagnóstico profesionales, en los que se pueden conectar hasta 10 electrodos en el pecho y las extremidades. Los ECG proporcionan información detallada sobre los distintos componentes (ondas P, QRS y T) de un latido.

Los ECG de una sola derivación son más comunes en el mundo del deporte, con un cinturón torácico de dos electrodos que mide la actividad cardíaca. Se pueden detectar las formas de onda del ECG, pero la mayoría de los sistemas sólo miden la frecuencia cardíaca. Estas correas son incómodas, por lo que la industria del deporte y el bienestar está buscando alternativas, como la integración de los electrodos en una camiseta deportiva. El frontal de monitor de frecuencia cardíaca de un solo cable AD8232, que se muestra en la Figura 1, se desarrolló para este tipo de aplicación vestible de bajo consumo. Incluye un amplificador de instrumentación con una ganancia de 100 V/V y un filtro de paso alto para bloquear la tensión de desplazamiento generada por el potencial de media célula de los electrodos en la piel. Un buffer de salida y un filtro de paso bajo rechazan el componente de alta frecuencia generado por la actividad muscular (señales EMG). Este frontal de bajo consumo, que consume 170 μA, puede utilizarse con el medidor en chip de 16 bits ADuCM350 para realizar mediciones de ECG de una sola derivación de alto rendimiento.

Nuevo método para medir la frecuencia cardíaca

Una nueva tendencia en la medición de la frecuencia cardíaca es el fotopletismograma (PPG), una técnica óptica que recupera información cardíaca sin medir el biopotencial. La PPG se ha utilizado principalmente para medir la saturación de oxígeno en sangre (SpO₂), pero puede proporcionar información cardíaca sin la medición del biopotencial. Con la tecnología PPG, los monitores de frecuencia cardíaca pueden integrarse en dispositivos portátiles, como relojes de pulsera o brazaletes. Esto no es posible con los sistemas biopotenciales debido a los diminutos niveles de señal.

En los sistemas ópticos, la luz se transmite a través de la superficie de la piel. La luz absorbida por los glóbulos rojos se mide mediante un fotosensor. Cuando el corazón late, el volumen de sangre cambiante dispersa la cantidad de luz recibida. Cuando se mide en un dedo o en el lóbulo de la oreja, donde hay una cantidad considerable de sangre arterial, una fuente de luz roja o infrarroja ofrece la mejor precisión. Sin embargo, las arterias rara vez están situadas en la parte superior de la muñeca, por lo que con los dispositivos de muñeca hay que detectar los componentes pulsátiles de las venas y los capilares que se encuentran justo debajo de la superficie de la piel, lo que hace que la luz verde sea mejor.

El módulo óptico ADPD142, que se muestra en la Figura 2, presenta un frontal fotométrico completo, con un fotosensor integrado, fuentes de corriente y LEDs. Diseñado para la medición de la reflexión, puede utilizarse para realizar una medición PPG. Todos los componentes están montados en un pequeño módulo.

Desafíos con el VSM óptico

Los principales retos de la medición de la PPG en un dispositivo de muñeca se deben a la luz ambiental y a los artefactos generados por el movimiento. La luz solar, que genera errores de corriente continua, es relativamente fácil de anular, pero la luz de las lámparas fluorescentes y de bajo consumo lleva componentes de frecuencia que provocan errores de corriente alterna. El frontal analógico utiliza dos estructuras para rechazar las interferencias de corriente continua a 100 kHz. Tras acondicionar la señal analógica, un convertidor analógico-digital (ADC) de aproximación sucesiva de 14 bits digitaliza la señal, que se transmite a través de una I²C a un microcontrolador para el posprocesamiento final.

Se integra una vía de transmisión sincronizada en paralelo con el receptor óptico. Sus fuentes de corriente independientes pueden accionar dos LEDs separados con niveles de corriente programables de hasta 250 mA. Las corrientes de los LEDs son pulsadas, con longitudes de pulso en el rango de los microsegundos, de modo que la disipación media de energía se mantiene baja para maximizar la vida de la batería.

El circuito de excitación del LED es dinámico y configurable sobre la marcha, lo que lo hace independiente de las condiciones ambientales, como la luz ambiental, el tono de la piel y el pelo del usuario, o el sudor entre el sensor y la piel, que de otro modo podría disminuir la sensibilidad. Los LED de excitación se pueden configurar fácilmente para construir un sistema autoadaptativo. La interfaz analógica se encarga de toda la temporización y la sincronización, por lo que no es necesario sobrecargar el procesador del sistema.

Hay dos versiones del ADPD142: el ADPD142RG incorpora LEDs rojos y verdes para la monitorización óptica de la frecuencia cardíaca; y el ADPD142RI incorpora LEDs rojos e infrarrojos para la saturación de oxígeno (SpO₂) medida.

Influencia del movimiento

El movimiento también interfiere en los sistemas ópticos. Cuando los monitores ópticos de frecuencia cardíaca se utilizan para estudios del sueño, esto puede no ser un problema, pero los relojes deportivos y las pulseras que se llevan durante el ejercicio tienen dificultades para anular los artefactos de movimiento. El movimiento entre los sensores ópticos (LED y fotodetector) y la piel reduce la sensibilidad de la señal óptica. Además, los componentes de frecuencia del movimiento pueden percibirse como una medida de la frecuencia cardíaca, por lo que el movimiento debe medirse y compensarse. Cuanto más cerca esté el aparato del cuerpo, menor será el impacto, pero es casi imposible anularlo mecánicamente.

Se utilizan varios métodos para medir el movimiento. Uno de ellos es óptico y utiliza varias longitudes de onda de LED. Las señales comunes indican el movimiento, mientras que las señales diferenciales detectan la frecuencia cardíaca. Sin embargo, es mejor utilizar un sensor de movimiento real. No sólo medirá con precisión el movimiento aplicado al dispositivo wearable, sino que también puede utilizarse para funciones adicionales, como el seguimiento de la actividad, el recuento de pasos o el lanzamiento de una aplicación cuando se detecte una determinada fuerza g.

El acelerómetro MEMS (sistema microelectromecánico) de 3 ejes ADXL362 es ideal para detectar el movimiento en aplicaciones portátiles alimentadas por batería. Su ADC de 12 bits convierte la aceleración en una señal digital con una resolución de 1 mg. El consumo de energía se escala dinámicamente con la velocidad de muestreo, y es de sólo 1,8 μA con una velocidad de salida de datos de 100 Hz y de 3,0 μA a 400 Hz. Estas velocidades de datos más altas son útiles para la interfaz de usuario, como la detección de toques/dobles toques.

Para iniciar una aplicación cuando se detecta movimiento, no se requiere un muestreo de alta velocidad, por lo que la velocidad de datos puede reducirse a 6 Hz, lo que da lugar a un consumo medio de energía de 300 nA. Esto hace que el sensor sea atractivo para aplicaciones de baja potencia y dispositivos implantables, donde las baterías no se pueden sustituir fácilmente. El ADXL362 está disponible en un paquete de 3,0 mm × 3,25 mm. La figura 3 muestra la corriente de alimentación frente a la velocidad de datos de salida para varias tensiones de alimentación.

Conectar los sensores del sistema

El corazón del sistema que conecta todos estos sensores, ejecuta el software necesario y almacena, muestra o transmite los resultados es el contador en chip de señal mixta ADuCM350, que integra un front-end analógico de alto rendimiento (AFE) con un ARM de 16 MHz^® Cortex^®-El núcleo del procesador M3, como se muestra en la Figura 4. La flexibilidad del AFE y el rico conjunto de funciones del microprocesador hacen que este chip sea ideal para aplicaciones portátiles y de vestir. El AFE configurable permite utilizarlo con casi cualquier sensor, y su generador de forma de onda programable alimenta los sensores analógicos con señales de CA o CC. La cadena de señales de recepción de alto rendimiento acondiciona las señales del sensor y las convierte en digitales con un ADC de 16 bits reales y 160 kSPS que tiene un INL y DNL máximos de ±1-LSB y no tiene códigos perdidos. Puede utilizarse con cualquier tipo de señal de entrada, incluyendo tensión, corriente, potenciostato, fotocorriente e impedancia compleja.

El AFE puede funcionar en modo autónomo sin la intervención del procesador Cortex-M3. Un secuenciador programable controla el motor de medición, y los resultados se almacenan en la memoria mediante DMA. Antes de iniciar una medición, se puede ejecutar una rutina de calibración para corregir los errores de desplazamiento y deriva en las cadenas de señales de transmisión y recepción. Para las mediciones de impedancia complejas, como la glucosa en sangre, el índice de masa corporal (IMC) o las aplicaciones de discriminación de tejidos, un acelerador DSP incorporado proporciona una transformada discreta de Fourier (DFT) de 2048 puntos de frecuencia única sin la intervención del procesador M3. Estas características del AFE de alto rendimiento hacen que el ADuCM350 sea único respecto a otras soluciones integradas.

El procesador Cortex admite una serie de puertos de comunicación, entre ellos I²S, USB, MIPI y un controlador LCD (estático). Además, incluye memoria flash, SRAM y EEPROM, y admite cinco modos de alimentación diferentes para maximizar la duración de la batería.

Diseñado para su uso con sensores de muy baja potencia, el ADuCM350 está limitado a dispositivos de baja velocidad. Las aplicaciones que requieren más potencia de procesamiento pueden utilizar núcleos M3 que funcionan hasta 80 MHz o núcleos de procesador Cortex-M4.

¿Y el poder?

La energía es siempre un factor crítico en los dispositivos portátiles y wearables. Los dispositivos descritos en este artículo están diseñados para ser de alto rendimiento, pequeño tamaño y bajo consumo, pero encajar todo, incluida la batería, en un paquete pequeño sigue siendo un reto. A pesar de las nuevas tecnologías de baterías que proporcionan más capacidad por mm³la batería sigue siendo grande en comparación con la electrónica.

La recolección de energía puede reducir el tamaño de la batería y prolongar su vida útil. Se utilizan varias tecnologías para recolectar energía, como la termoeléctrica, la piezoeléctrica, la electromagnética y la fotovoltaica, siendo la luz y el calor las más adecuadas para los dispositivos portátiles. Los sensores no suelen proporcionar mucha potencia, por lo que hay que captar y utilizar cada julio generado. El regulador de refuerzo de potencia ultrabaja ADP5090, que se muestra en la figura 5, tiende un puente entre la cosechadora y la batería. Esta eficiente fuente de alimentación conmutada aumenta las tensiones de entrada desde 100 mV hasta 3 V. Durante un arranque en frío, con la batería totalmente descargada, se requiere una tensión de entrada mínima de 380 mV, pero en el funcionamiento normal, cuando la batería no está totalmente descargada o queda energía en el supercondensador, cualquier señal de entrada de hasta 100 mV puede convertirse en un potencial más alto y almacenarse para su uso posterior.

Alojado en un diminuto paquete de 3 mm × 3 mm, el chip es programable para su uso con varios sensores de cosecha. Consume una corriente de reposo máxima de 250 nA y funciona con casi cualquier tecnología de baterías, desde las de iones de litio hasta las de película fina y los supercondensadores. Los circuitos de protección incorporados garantizan un funcionamiento seguro.

Conclusión

En este artículo se describen algunos productos de bajo consumo para aplicaciones de salud personal y wearables, pero este mercado en crecimiento está evolucionando rápidamente. La tecnología de ADI puede convertir los problemas difíciles en productos completos y soluciones llave en mano. Esté atento a futuros artículos.

Referencias

www.analog.com/healthcare