Применение  интегрированных устройств на основе аналоговых интерфейсов AFE в  технологиях  mHealth

, .

СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Проанализировав динамику развития мобильной медицины на настоящий момент, можно сделать выводы, что устройства mHealth  получают всю большую распространенность, они удобны и относительно недороги. Но в то же время они  не обеспечивают полноценный контроль состояния людей с различными заболеваниями, а исследования физиологических показателей носит скрининговый характер. Профессиональная медицинская аппаратура, обеспечивающая  такой контроль,  дорога и непригодна для использования обыкновенным пользователем ввиду своих больших весовых параметров, а так же специфичности интерфейса настройки и диагностики. [1]

Одним из возможных вариантов обеспечения мобильности и доступности для насления устройств mHealth  является применение при  их создании микросхем аналогового входного интерфейса Analog Front-End. AFE представляет собой набор аналоговых схем, в которых используются операционные усилители, фильтры и, иногда, интегральные схемы для конкретных приложений, датчиков и других электрических цепей, и конфигурируемый блок, необходимый для взаимосвязи различных датчиков с аналого-цифровым преобразователем и микроконтроллером.

Основные преимущества AFE:

    многофункциональность (возможность заменить множество типов микросхем одним устройством); гибкость (возможность  пользователю адаптироваться к разнообразным требованиям интерфейса, упростить процесс настройки); минимизирование ошибок пайки; снижение размеров и энергопотребления

Для подтверждения возможности повышения эффективности технологий mHealth за счет использования интерфейсов AFE был разработан аппарат для измерения частоты сердечных сокращений и частоты дыхательных движений, основанный  на интеграции двухканального ЭКГ и одноканального реографа. В основе лежит микросхема с аналоговым входным интерфейсом AFE производства Texas Instruments ADS1298. Использование данной модели микросхем AFE позволяет синхронно регистрировать несколько медико-биологических сигналов, например, электрокардиографический и реопневмографический.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В состав функциональной схемы микросхемы ADS1298 входят:

    фильтр RC; компаратор; входные мультиплексоры; усилители  с программируемым коэффициентом усиления; тактовый генератор, обеспечивающие малые габариты и низкое энергопотребление; схема для электрода «правой ноги» для фильтрации синфазной составляющей; 24 битный сигма-дельта АЦП; внутренний источник опорного напряжения;

Устройство позволяет сократить энергопотребление более чем на 94% по сравнению с дискретными реализациями, в то время как сокращение требуемого места на плате достигает 86 %. Входной шум 4 uVpp является наилучшим показателем для значений, предусмотренных требованиями CE/IEC 60601 для наиболее точных измерений характеристик портативного высокопроизводительный оборудования [2]. AFE упрощает конструкцию системы за счёт размещения до 50 компонентов на одном кристалле. 

Исследование скорости дыхательного потока основывается на принципе импедансной пневмографии. Для этого сигнал переменного тока (100мкА) высокой частоты(10 кГц) подается на исследуемый объект. Амплитудно-модулированный сигнал генерируется в результате дыхательных движений. Полученный модулированный сигнал должен быть демодулирован для извлечения низкочастотного дыхательного сигнала. После демодуляции сигнал подается на ФНЧ с частотой пропускания  2- 4 Гц для удаления  шумов [3]. На рисунке 1 представлена аналоговая часть разработанной системы, реализуемая на микросхеме аналогового входного интерфейса.

Рисунок 1 – Аналоговая часть разработанной системы

ADS1298 имеет 24-битные аналого-цифровые преобразователи для каждого канала. Для передачи цифровых данных между узлами в микросхеме используется интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface). Передача сигнала с устройства на ПК или смартфон осуществляется посредством беспроводной Bluetooth связи на скорости до 2178 Кбит/сек.

На рисунке 2 представлены графики полученных сигналов.

Рисунок 2 – Графическая интерпретации полученного сигнала

Разработанная система предусматривает возможность суточного мониторирования  сигналов ЭКГ и дыхания и может найти широкое применение в диагностике  заболеваний дыхательных путей.

Опыт данной разработки показывает принципиальную возможность повышения информативности оборудования mHealth до уровней, сопоставимых с информативностью профессионального оборудования, при сохранении невысокой стоимости и малых габаритов. Дальнейшим направлением исследований является стандартизация протоколов представления и передачи данных для обеспечения совместимости с современными телемедицинскими системами с учетом требований по защите медицинской информации.


PricewaterhouseCoopers о будущем первичной медицинской помощи. Режим  доступа: [https://mhealthrussian. /2015/12/14/pricewaterhousecoopers/] Texas Instruments. Data sheet ADS 1298R. Режим доступа:

[http://www. /ww/ru/analog/ads1298/index. shtml? DCMP=PPC_le_TI& 232a2c38-a5f9-9ac9-5274-000069b5130b&247SEM]

Лехин ЭВМ; СПб - Москва, 2010. - 672 c.