Производственная практика (ФИБС БТС 7 семестр) / Разработка структурной схемы электронного устройства медицинского назначения на основе аналогового фронт-энда

ЗАДАНИЕ

НА ПРОИЗВОДСТВЕННУЮ ПРАКТИКУ

Студент Исаков А.О.

Группа 7501

Тема практики: Разработка структурной схемы электронного устройства медицинского назначения на основе аналогового фронт-энда Задание на практику:

электрическая принципиальная схема электронного устройства медицинского назначения, содержащая интегральную микросхему аналогового фронт-энда,

рекомендованная производителем (референс-дизайн)

Ссылка: https://www.ti.com/tool/TIDA-00311

Сроки прохождения практики: 23.12.2020 – 28.12.2020

Дата сдачи отчета: 29.12.2020

Дата защиты отчета: 30.12.2020

2

АННОТАЦИЯ

Разработка структурной схемы электронного устройства медицинского назначения «Miniaturized Pulse Oximeter Reference Design» на основе аналогового фронт-энда AFE4403, part number: TIDA-00311. Референс дизайн пульсоксиметра был разработан специально для клинической практики.

Небольшой размер упростит и ускорит процесс измерения частоты пульса и расчета сатурации крови кислородом. Главная особенность – разработанный

Texas Instruments аналоговый фронт-энд с LED и фотосенсором. Устройство включает в себя микроконтроллер для передачи информации от AFE4403.

Формфактор меньше, чем у TIDA-00010.

SUMMARY

Development of a block diagram of an electronic medical device "Miniature Pulse Oximeter Reference Design" based on the analog front end AFE4403, part number: TIDA-00311. The reference design of the mini pulse oximeter was developed specifically for clinical practice. The small size will simplify and speed up the process of measuring the pulse rate and calculating blood oxygen saturation. The main feature is an analog front-end developed by Texas Instruments with a LED and a photo sensor. The device includes a microcontroller for transmitting information from the AFE4403. The form factor is smaller than that of the TIDA - 00010.

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Основная цель данной производственной практики – ознакомление с типовыми схемами построения устройств регистрации биомедицинских сигналов на основе аналоговых фронт-эндов.

Задачи практики: разработка структурной схемы электронного устройства медицинского назначения на основе аналогового фронт-энда, а

также составление спецификаций на основные электронные компоненты устройства на основе данных, предоставляемых производителем.

Рассматриваемое устройство предназначено для считывания информации о пульсе (ЧСС) и насыщении крови кислородов (показатель

SpO2).

Пульсоксиметрия повсеместно вошла в клиническую практику, так что уже сейчас не кажется чем-то особенным. Однако, она решает ряд проблем,

задумываться о которых больше не приходится. На данный момент это единственный столь широко распространенный и сравнительно простой метод неинвазивного определения насыщения крови кислородом, не говоря о возможности достаточно точного измерения частоты пульса, без непосредственного участия медработника, что важно, например, в условиях проведения срочной операции. Установить пульсоксиметр и списать с него данные может даже необученный человек в домашних условиях. Такая простота в использовании зачастую позволяет предпринять превентивные меры против развития анемии, инфаркта или инсульта. Во многих приборах на экран также выводится кривая абсорбции света в крови. Пускай такой показатель нельзя считать абсолютно точным для постановки диагноза, но он дает лечащему врачу некое представление об общем состоянии кровеносной системы человека, например, о снижении прочности и эластичности сосудов.

5

1.ПУЛЬСОКИМЕТР

1.1.Назначение устройства

Пульсоксиметр предназначен для выборочной проверки и контроля функционального насыщения артериальной крови кислородом (показатель

SpO2) и измерения частоты пульса (ЧСС) у взрослых и пациентов педиатрии в больницах, учреждениях больничного типа, в транспорте и передвижных средствах, а также при уходе в домашних условиях. Пульсоксиметр не предназначен для продолжительного контроля. Устройство предполагает вывод показателей по SPI на ЖКИ, а также возможность передачи данных на сторонне устройство по Bluetooth.

Для пульсоксиметра не требуется проводить периодическую калибровку или специальное техническое обслуживание, помимо замены аккумулятора.

1.2. Референс-дизайн от Texas Insruments

Рассмотрим представленную на сайте Texas Instruments печатную схему (рисунок 1). Как мы можем видеть, она состоит главным образом из трех блоков: оптический сенсор, сверхмалый встроенный модуль обработки

AFE4403 (отвечающий за мониторинг сердечного ритма и SpO2), а также микроконтроллер MSP430. Обозначим их соответствующим образом на рисунке 2.

Рисунок 1 – TIDA-00311 референс дизайн мини пульсоксиметра

Рисунок 2 – Архитектура верхнего уровня

6

Рассмотрим каждый элемент по отдельности. Оптический сенсор произведен корейской компанией APMKorea (рисунок 3). С лицевой части видны два светодиода (первая оптическая система), красный и инфракрасный,

а также вторая оптическая система, отвечающая за восприятие отраженного света, с обратной стороны к обеим частям сенсора подключены контакты

(рисунок 4). На рисунке 5 изображена упрощенная схема работы оптического сенсора. Сформированный поток проходит через биологический объект, и его отраженная часть попадает на вторую оптическую систему. При этом необходимо учитывать, что поток попадает на объект измерения,

предварительно минуя некоторую внешнюю среду, взаимодействие с которой также приведет к его ослаблению.

Рисунок 3 – DCM03 Оптический сенсор

Рисунок 4 – DCM03 с обратной стороны

Рисунок 5 – Принцип работы оптического сенсора DCM03

Высокопроизводительные пульсоксиметрические вычисления достигаются за счет использования AFE4403 (рисунок 6), полностью интегрированного аналогового фронт-энда, который совмещает в себе низкий

7

уровень шумов принимающего канала с встроенным АЦП, LED-

передатчиком, диагностическим блоком сенсора и блоком выявления дефектов. Для тактирования используется встроенный осциллятор. С

функциональной блок-диаграммой аналогового фронт-энда можно ознакомиться на рисунке 7.

Рисунок 6 – AFE4403 ультра-маленький интегрированный аналоговый фронт-энд для измерения ЧСС и расчета SpO2

Рисунок 7 – Функциональная блок-диаграмма AFE4403

Присмотревшись внимательнее к функциональной блок-диаграмме

AFE4403 можно отдельно выделить схему подключения фотодиода к трансимпедансному усилителю (ТИУ) см. рис. 8.

8

Рисунок 10 – Функциональная блок-диаграмма MSP430F5528

10