Maggiore precisione per maggiore accuratezza

MEDICALE –

Al crescere della domanda di multifunzionalità, i dispositivi medici portatili necessiteranno di una maggiore precisione per ottenere una maggiore accuratezza. Queste capacità richiederanno innovazione, sviluppi a lungo termine e impegno verso soluzioni totali.

Le società che sviluppano apparecchiature per diagnosi mediche devono fornire ai consumatori la migliore funzionalità possibile al prezzo più attraente. Ridurre dimensioni e prezzo migliorando l'accuratezza è importante per abbassare i costi della assistenza sanitaria migliorando la cura dei pazienti. Attraverso un incremento delle funzionalità di monitoraggio delle apparecchiature medicali, i fornitori di assistenza remoti possono tenere sotto controllo la salute di una persona fornendo una migliore diagnosi per pazienti domiciliati, personale di emergenza sul campo e, perfino, presso gli ospedali. Apparecchiature di monitoraggio, dalla pressione sanguigna ai misuratori di glicemia e ai defibrillatori, necessitano di segnali analogici chiari per una misurazione precisa di segnali vitali critici. Progettare un controllo di segnale ottimale aiuterà i progettisti a superare la sfida di come ridurre le interferenze dai rumori esterni massimizzando il range dinamico e migliorando l'accuratezza. I progettisti devono scegliere attentamente i componenti che costituiscono il prodotto finale per raggiungere queste specifiche esigenti. Fino a tempi recenti le apparecchiature mediche presso ospedali e studi medici erano considerate più accurate e precise di quelle portatili utilizzate a domicilio. Il trend corrente, invece, sta cambiando rapidamente. Le società che producono questi dispositivi si appoggiano su inventari allo stato dell'arte e progettisti di talento per rimanere competitivi e rendono i loro prodotti strategici offrendo funzionalità aggiuntive. Uno dei fattori più importanti nello sviluppo di apparati medicali consumer è il time-to-market, la cui riduzione permette ai produttori di far sì che il loro prodotto sia adottato dai consumatori in anticipo.
 
La tecnologia di processo influenza i progetti
Sebbene le specifiche elettriche siano un fattore preponderante nella scelta dei componenti per il proprio progetto, il processo con cui vengono costruiti i circuiti integrati  può essere altrettanto importante. Per esempio un monitor per il glucosio tipicamente richiede un amplificatore operazionale (op amp) con una corrente di polarizzazione di ingresso estremamente bassa. Molti progettisti sceglierebbero un amplificatore a JFET, ma dovrebbero considerare l'impatto della temperature prima di prendere una decisione.  I JFET hanno inizialmente una corrente di polarizzazione molto bassa, ma è influenzata grandemente dalle variazioni di temperature in modo tale che approssimativamente raddoppia per ogni 10°C di aumento. Per determinare la deriva della corrente di polarizzazione usate la seguente relazione:
   
    Ib(T) Ib(T0) x 2(T-T0)/10 

Per esempio un LF411, un op amp di National Semiconductor con ingresso JFET, offre una corrente di polarizzazione di ingresso di 50pA a 25°C. Una scelta migliore, in questo caso, sarebbe l'LMP7731, un op amp con ingresso bipolare da 1,5nA. Usando l'equazione sopra si determina rapidamente che a 85°C, la corrente di polarizzazione dell'LF411 diventa di 3,2nA, più del doppio di quella dell'LMP7731.

Valutare i compromessi di sistema
Compromessi su velocità, rumore e consumi possono essere tutti importanti per alcuni progetti. Un dispositivo a basso rumore consuma più corrente ed un dispositivo a basso consumo ha una banda limitata. Un modo per superare questo è quello di utilizzare amplificatori de-compensati nella applicazione appropriata. Il vantaggio degli amplificatori de-compensati, comparati con le controparti a guadagno unitario stabile e ad alta velocità, è una banda passante ampia senza una penalizzazione nei consumi di potenza e, in aggiunta, un prezzo globale minore. Op amp decompensati sono adatti a circuiti per conversioni I-V (transimpedenza). Una applicazione popolare nella strumentazione medicale è la misura della saturazione di ossigeno all'interno delle cellule del sangue, nota come SPO2 o saturazione o ossigeno periferico.

Minimizzare il tempo di progetto
Uno dei parametri più importanti nella strumentazione medica è il rumore che può causare seri problemi di interferenza nel circuito stesso e negli apparecchi circostanti. Il calcolo del rumore può essere particolarmente noioso specialmente quando si cerca di determinare il contributo totale della catena analogica al Snr, dalla sorgente, amplificatori, convertitori e componenti esterni. Generalmente la strumentazione medicale tende ad operare a frequenze molto basse quindi i progettisti di questi sistemi sono spesso preoccupati del rumore contenuto nella banda da 0,1 a 10Hz, noto anche come rumore picco-picco. Sfortunatamente alcuni datasheet non specificano il rumore nel dominio del tempo (picco-picco), ma riportano un tipico grafico della densità del rumore, sia esso rumore in tensione o in corrente. Anziché aspettare che il produttore dell'IC fornisca le misure reali, si può utilizzare un modo rapido per stimare il rumore picco-picco.
Supponiamo che si voglia approssimare la tensione di rumore picco-picco (da 0,1 a 10Hz) utilizzando un LMP7731 di National. Dapprima va scelto un punto nell'intervallo di frequenza all'interno della banda specificata, per esempio a 1Hz il valore è 5,1 nV/√Hz. Quindi si calcola il valore Rms (Root Mean Square) del rumore come segue:

enrms=enf√ln(10/0.1),
dove enf è il rumore ad 1Hz
.

Usando l'equazione 1 si arriva a un valore Rms del rumore di 10,9nV; per ottenere il valore picco-picco basta semplicemente moltiplicare il valore Rms per 6,6 per ottenere 72,2 nV, che è una stima molto vicina al valore di 78nV riportata nella tabella delle specifiche del datasheet. Se il grafico delle densità del rumore in tensione non mostra il valore a 1Hz si può usare la semplice formula seguente per approssimare il valore alla frequenza interessata:

en=enb*√(fce/f),

dove enb è il rumore a banda larga (solitamente il valore ad 1kHz),
fce l'angolo 1/f, ed f la frequenza di interesse, nel nostro caso 1Hz.

Come esempio consideriamo il dispositivo LMV851 di National il cui rumore a banda larga è 10nV/√Hz a 10kHz. Al fine di calcolare il valore Rms del rumore prima si determina graficamente l'angolo 1/f (fce). Usando il grafico della densità di rumore in tensione si trova che fce è approssimativamente 300Hz. L'equazione 2 porta quindi a en=10*√(300/1)=173nV√Hz. Questo è il valore del rumore in tensione ad 1Hz. Sostituendolo nella equazione 1 e moltiplicando il risultato per 6,6 porta ad un valore picco-picco di 2,4µV.
Una ulteriore considerazione è la corrente di rumore. Generalmente se l'impedenza della sorgente non è troppo elevata (<100kΩ), si può ignorare la corrente di rumore ed ottenere ancora una buona approssimazione come visto negli esempi precedenti. Se invece l'impedenza della sorgente è elevata allora si utilizzano le stesse tecniche per stimare la corrente di rumore e si sommano poi i rumori in tensione e in corrente nella maniera Rms.
       
Determinare la velocità richiesta
Così come per la risoluzione degli Adc è importante il rumore degli op amp , la banda passante è essenziale per mantenere l'accuratezza del sistema. Al fine di mantenere l'errore entro ½ Lsb (Least Significant Bit), è necessaria una verifica rapida per determinare se la banda dell'amplificatore è ampia a sufficienza. Anziché usare deduzioni complesse e noiose è possibile fare una stima molto rapidamente usando la risoluzione dell'Adc (Analog-to-Digital Converter) che consente di determinare la banda passante richiesta. Per farlo si usa semplicemente 1/2(N/2) e quindi si moltiplica il risultato per la frequenza a -3dB dell'amplificatore. Usando la semplificazione precedente e un Adc da 14-bit Adc, questo esempio porta a feff= 0,007813*f-3dB. Per l'op amp LMP7711 con una configurazione del guadagno di 10, il -3dB è 1,7MHz e la massima banda passante (per rimanere con l'errore entro ½ Lsb) è 0,007813*1,7E6=13,3kHz.
               
Dispositivi di monitoraggio e di comunicazione
Molti dei dispositivi più nuovi per diagnosi mediche comprendono una comunicazione wireless. Gli elettrocardiografi moderni possono trasmettere le informazioni allo studio medico o all'ospedale per mezzo di un Pda o altre periferiche di Pc in pochi minuti. Nonostante i vantaggi offerti dalla trasmissione dati wireless, questi apparati possono causare interferenze dannose ad altri dispositive medici. Per evitare queste interferenze si dovrebbero implementare dei filtri. Ma l'aggiunta di filtri fa aumentare dimensioni e costi del progetto. Un approccio più rapido ed economico è quello di utilizzare componenti (che includono i filtri) che rigettano il rumore a radiofrequenza.

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