PSoC per dispositivi medicali portatili

MEDICALE –

Un misuratore per la pressione sanguigna e un ossimetro a impulsi mettono in luce le potenzialità dei dispositivi PSoC nella realizzazione di soluzioni elettroniche portatili per applicazioni medicali.

Al fine di affrontare in maniera efficace il costante incremento delle spese mediche e dei costi delle assicurazioni sanitarie, si va sempre più affermando la tendenza a effettuare gli esami clinici direttamente a casa del paziente: ciò, oltre a comportare una diminuzione del numero di ricoveri in ospedale, permette di non disperdere preziose risorse mediche. Dispositivi di misura spesso larghi e ingombranti come termometri elettronici a infrarossi, misuratori per la pressione sanguigna, misuratori di glucosio nel sangue, ossimetro a impulsi e monitor Ecg sono divenuti, grazie all'evoluzione tecnologica, più piccoli in termini di dimensioni, più economici e caratterizzati da una durata più lunga. Questi dispositivi portatili per uso medicale di solito contengono i seguenti componenti:
-    trasduttori o biosensori per i segni vitali che forniscono i segnali;
-    amplificazione del segnale o conversione tra segnale analogico e digitale;
-    microcontrollore utilizzato sia l'analisi e l'elaborazione dei segnali sia per fornire decisioni logiche;
-    controllo della potenza;
-    batteria per garantire la portabilità;
-    dispositivi per l'interfacciamento con l'utente come schermo, tastiera, tasti e commutatori.
In funzione dei particolari requisiti del sistema possono anche essere previsti altri componenti utilizzati per:
-    memorizzazione e accesso dati;
-    comunicazioni, sia cablate sia wireless;
-    effettuare retroazioni mediante vibrazione o segnali vocali.

Poiché di tratta di dispositivi elettronici portatili, i progettisti devono anche tener conto nella fase di sviluppo di alcune caratteristiche tipiche dei componenti elettronici destinati al mercato consumer tra cui:
-    elevate prestazioni: le misure devono essere contraddistinte da un sufficiente livello di accuratezza;
-    bassi consumi: il prodotto deve funzionare normalmente senza dover effettuare il cambio della batteria per più di sei mesi;
-    piccole dimensioni: il prodotto deve essere più piccolo possibile, facile da trasportare ed efficiente dal punto di vista energetico;
-    basso costo: il prodotto deve essere economico;
-    rapidi tempi di sviluppo: è indispensabile essere i primi a introdurre i nuovi prodotti per affermarsi in un determinato mercato o consolidare la propria posizione.

I vantaggi del PSoC
Una volta analizzate le esigenze dei dispositivi elettronici portatili per dispositivi medicali, è utile esaminare in che modo l'approccio che prevede l'uso dei PSoC possa aiutare i progettisti a sviluppare prodotti più avanzati. Poiché i dispositivi PSoC abbinano componenti analogici e digitali programmabili, essi sono in grado di fornire le funzioni di amplificazione del segnale, conversione A/D e D/A, filtraggio e modulazione Pwm richieste da questa categoria di dispositivi. I dispositivi PSoC includono un microprocessore a 8 bit (8051) oppure a 32 bit (Arm Cortex M3), per cui possono supportare vari dispositivi medicali in grado di espletare una funzione oppure integrare 3 o 4 funzioni per diventare il chip di controllo di misuratori di funzioni fisiologiche (termometri elettronici a infrarossi, pressione del sangue, analisi dell'ossigeno nel sangue e del battito cardiaco). La gestione delle trasmissioni attraverso interfacce Usb, Uart, I2C e Spi integrate nei dispositivi PSoC garantiscono la più completa libertà di trasmissione tra i vari circuiti integrati.

Misurazione della pressione sanguigna con un singolo chip
Di seguito si vuole esaminare l'utilizzo di un dispositivo PSoC per lo sviluppo di un misuratore della pressione sanguigna. Esso è basato sul metodo oscillometrico, quello più ampiamente utilizzato nei misuratori elettronici portabili della pressione sanguigna. Un dispositivo PSoC utilizza la funzione di modulazione Pwm integrata per pilotare il motore ad aria compressa necessario a pressurizzare il bracciale posto sul braccio. Durante il rilascio del gas, la pulsazione dell'arteria interna, attraverso il bracciale e il sensore di pressione dell'aria, viene convertito nel segnale trasmesso al dispositivo PSoC. Poiché l'ampiezza del segnale è di pochi mV, esso viene amplificato (attraverso l'amplificatore interno e l'amplificatore a guadagno programmabile) e il rumore del sangue nel vaso sanguigno viene filtrato (attraverso un filtro passa basso). Il segnale viene quindi trasferito al convertitore A/D e trasformato nel segnale digitale utilizzato dal dispositivo PSoC per misurare la pressione sanguigna sistolica del paziente, la pressione sanguigna diastolica e la pressione arteriosa media. Questi segnali vengono visualizzati sullo schermo Lcd per completare la misura della pressione sanguigna. A questo punto val la pena sottolineare il fatto che tutti i componenti elettronici ad eccezione di quelli esterni quali lo schermo Lcd, il motore, il sensore della pressione dell'aria e i circuiti per il pilotaggio del motore sono sostituiti da un singolo PSoC. In questo modo è possibile risparmiare spazio prezioso e ridurre i tempi di sviluppo del prodotto. Un PsoC può quindi essere considerato alla stregua di una soluzione di misura della pressione sanguigna su un singolo chip.

Ossimetro a impulsi
Un altro esempio di applicazione è relativo a un ossimetro a impulsi. La saturazione dell'ossigeno SaO2/SpO2 è il rapporto dell'ossiemogloblina (HBO2) rispetto all'emoglobina totale (ossiemoglobina ed emoglobina ridotta, ovvero non legata) nel sangue. Più elevato è questo rapporto, migliore è la salute di una persona. Parecchi ossimetri sono posizionati all'estremità di un dito. Un Led a infrarossi è posizionato sopra il dito, mentre all'estremità inferiore dello stesso si trova un sensore a infrarossi. In base alla differenza nell'assorbimento a infrarossi tra l'ossiemoglobina e l'emoglobina ridotta, è possibile calcolare la concentrazione dell'ossigeno nel sangue in funzione dell'intensità del segnale a infrarossi. Poiché esso varia in funzione del battito cardiaco, è possibile prevedere la velocità del battito cardiaco sulla base dell'alterazione del ciclo e misurare contemporaneamente la velocità del battito e il contenuto di ossigeno nel sangue. Ad eccezione del generatore di corrente (circuito per il pilotaggio del Led) e del sensore a infrarossi, tutti gli altri componenti sono integrati in un dispositivo PSoC. Tutti i calcoli vengono completati all'interno del dispositivo PSoC al fine di ridurre costi e tempi di sviluppo.

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