Negli ultimi anni il settore dei dispositivi elettronici medicali portatili è cresciuto in maniera esponenziale e sono numerose le nuove società che hanno introdotto una pluralità di differenti modelli sul mercato. La richiesta più pressante è poter disporre di metodologie di progettazione semplici che permettano di realizzare dispositivi che abbinino buone prestazioni a costi contenuti. Tra i fattori da tenere in considerazione durante la fase di design, i principali sono senza dubbio consumi, costi, fattore di forma e conformità dei componenti alle specifiche Food and Drug Administration.
Metodologie di progettazione tradizionali
Un sistema elettronico portatile per applicazioni medicali integra componenti quali front-ent analogici per l’acquisizione dei dati, amplificatori e filtri per il condizionamento del segnale, convertitori A/D per l’acquisizioni di dati provenienti da sensori e di segnali, tasti per accettare i riscontri degli utilizzatori, una Mcu per l’esecuzione degli algoritmi, oltre a una vasta gamma di interfacce come ad esempio display Lcd, porte Usb e così via. Le metodologie di progettazione tradizionali prevedono l’integrazione di tutti i componenti necessari su un Pcb. Tecniche di questo tipo hanno lo svantaggio di incrementare il numero di componenti richiesti, la complessità della scheda e il ciclo di progetto. L’impiego di singoli componenti analogici, inoltre, tende a indebolire la protezione dei blocchi IP analogici in quanto l’operazione di “reverse engineering” non presenta particolari difficoltà.
La progettazione e la produzione di apparecchiature medicali portatili sono regolate dalla Fda. Ciò significa che queste due fasi devono seguire processi rigorosamente documentati e le prestazioni devono essere conformi a requisiti molto severi in termini di documentazione, collaudi durante lo sviluppo e la produzione, assistenza sul campo. Una norma emanata da Fda richiede ad esempio che i componenti utilizzati per dispositivi medicali debbano restare in produzione per almeno cinque anni. Ciò rappresenta un incentivo per i costruttori che possono ridurre il numero complessivo di componenti utilizzati e semplificare così il processo di certificazione.
Il misuratore di pressione sanguigna
Un Bpm (Blood Pressure Monitor) utilizza un sensore di pressione differenziale per misura la pressione del braccio o del polso. Poiché l’uscita di questo sensore è dell’ordine di pochi microVolt (da 30 a 50 μV), il segnale di pressione in uscita deve essere amplificato mediante un amplificatore per strumentazione a elevato guadagno caratterizzato da un alto valore di Cmrr (Common Mode Rejection Ratio). I valore del guadagno e del Cmrr dovrebbero essere rispettivamente dell’ordine di 150 e 100 dB. La frequenza degli impulsi oscillatori del segnale di pressione è compresa tra 0,3 e 11 Hz con un’ampiezza di poche centinaia di microVolt. Queste oscillazioni sono ricavate mediante filtri passabanda caratterizzati da un guadagno pari a circa 200 e una frequenza di taglio compresa tra 0,3 e 11 Hz. Per digitalizzare il segnale oscillatorio e del sensore di pressione viene impiegato un convertitore A/D a 10 bit caratterizzato da una velocità di 50 Hz. Due timer vengono invece utilizzati per calcolare la frequenza del battito cardiaco e implementare la funzionalità di timer di sicurezza. Un timer di quest’ultimo tipo regola la pressione che viene mantenuta sul braccio del paziente per un certo periodo di tempo. Questo timer è previsto dalle normative di sicurezza degli standard Aami. Il core del microcontrollore calcola i valori di pressione sistolica e diastolica utilizzando un algoritmo oscillometrico. Il bracciale viene gonfiato e sgonfiato mediante motori azionati tramite Pwm.
Il termometro digitale non a contatto
Un termometro digitale di tipo non a contatto utilizza un trasduttore, noto anche come termopila, formato da una membrana microlavorata con termocoppie per misurare la temperatura della termocoppia e un termistore per misurare la temperatura ambente. La termocoppia genera una tensione continua corrispondente alla differenza di temperatura alle proprie giunzioni. L’uscita della termocoppia è dell’ordine di alcuni microVolt. Il segnale proveniente dalla termocoppia è amplificato mediante un amplificatore di precisione a basso rumore. Con il termistore e un riferimento di tensione di precisione esterno è possibile realizzare un partitore di tensione. Questo partitore converte le variazioni di resistenza del termistore rispetto alla temperatura in variazioni di tensione. Le tensioni della termocoppia e del termistore vengono usate per calcolare la temperatura ambiente e quella delle termocoppie. La temperatura viene ricavata dalla tensione mediante una funzione polinomiale fornita dal produttore del sensore o mediante una tabella di ricerca con letture memorizzate in precedenza. La temperatura ambiente viene aggiunta a quella della termocoppia al fine di ottenere la misura della temperatura finale. Per le applicazioni considerate, i dispositivi periferici necessari sono un circuito di pilotaggio per Lcd a segmenti, un Rtc, pulsanti, una memoria Eeprom e un’interfaccia Usb. I componenti esterni al microcontrollore, come ad esempio trasduttore, convertitore A/D, controllore/driver Lcd, controllore Usb, filtri e amplificatori - si interfacciano al microcontrollore attraverso un I/O di tipo general purpose o un pin dedicato. Più grande è il numero di componenti esterni, maggiore saranno i limiti e i vincoli che gli sviluppatori dovranno tenere in considerazione: difficoltà di gestione della Bom, maggiore complessità della scheda, necessità di ottenere la certificazione Fda per ciascun componente, aumento dei tempi di progettazione e di sviluppo, minore protezione dei blocchi IP analogici.
SoC: un approccio innovativo
Le odierne architetture dei system-on-chip permettono di progettare dispositivi elettronici portatili seguendo nuove modalità. La progettazione di dispositivi basati su SoC comporta un gran numero di vantaggi. Nelle Figg. 3 e 4 vengono riportati gli schemi a blocchi di un sistema per la misura della pressione del sangue e di un termometro digitale non a contatto realizzati sfruttando architetture di tipo SoC. L’utilizzo di un approccio basato su SoC in un sistema per la misura della pressione sanguigna semplifica notevolmente la fase di progettazione. Un dispositivo SoC può infatti integrare l’amplificatore per strumentazione a elevato guadagno, mentre di impulsi oscillatori possono essere ricavati utilizzando i filtri analogici/digitali integrati. Il convertitore A/D configurabile presente nel dispositivo SoC può essere impiegato per la digitalizzazione dei dati. Il core della Cpu mette a disposizione la potenza di elaborazione richiesta per la gestione di algoritmi avanzati. Un dispositivo di questo tipo può anche integrare un driver per Lcd a segmenti per il display, la memoria Eeprom richiesta per l’acquisizione dei dati, un Rtc per il time-stamping, un controllore Usb full-speed come interfaccia verso un Pc, un dispositivo Dma per alleggerire il carico di lavoro della Cpu, oltre a funzionalità di rilevamento tattile capacitivo da utilizzare in sostituzione dei tasti meccanici. I temporizzatori presenti all’interno del dispositivo SoC possono essere usati per calcolare la frequenza del battito cardiaco e per gestire le funzioni di sicurezza, mentre i modulatori Pwm possono essere impiegati per il controllo dei motori. L’ampio intervallo di tensione operativa e i ridotti consumi fanno di questi dispositivi SoC la soluzione ideale per dispositivi alimentati a batteria. Nel caso dei termometri a infrarosso i dispositivi SoC integrano anche gli amplificatori e il convertitore A/D necessari per la rilevazione di variazione della tensione dell’ordine dei microVolt. Il riferimento di tensione di precisione rappresenta il riferimento ideale per i sensori. Un driver per Lcd a segmenti, memoria Eeprom, Rtc, interfaccia Usb e rilevamento tattile capacitivo sono le altre funzionalità disponibili in questi SoC. Come ampiamente riferito in precedenza, i SoC integrano la maggior parte dei dispositivi periferici richiesti per l’implementazione di dispositivi elettronici portatili. Ciò non solo contribuisce a ridurre il numero di componenti esterni richiesto, ma anche a rafforzare la protezione dei blocchi IP analogici in quanto i componenti analogici sono integrati all’interno del chip. La diminuzione del numero di componenti comporta numerosi vantaggi, tra cui semplificazione della scheda a circuito stampato e riduzione dei tempi di progettazione, con riflessi favorevoli sul time-to-market. La potenza richiesta dalle differenti periferiche presenti all’interno del chip può essere gestita su base individuale seguendo differenti modalità conferendo semplicità ed efficienza alla gestione della potenza. La riconfigurabilità tipica dei dispositivi SoC permette di ridurre i costi e diminuire il tempo necessario per la riprogettazione o l’apporto di modifiche al progetto. Grazie alla sensibile riduzione del numero di componenti richiesti, la certificazione Fda risulta notevolmente semplificata. Con i dispositivi SoC è possibile realizzare i più svariati dispositivi medicali portatili, dai misuratori di glucosio, ai dispositivi Ecg portatili agli ossimetri a impulsi.
I vantaggi dei SoC programmabili
I Programmable System On Chip 3/5 di Cypress Semiconductor si propongono come la soluzione ottimale per l’implementazione di dispostivi medicali portatili come misuratori della pressione sanguigna, di glucosio nel sangue e ossimetri a impulsi. I dispositivi PSoC 3/5 interano rispettivamente un core 8051/ARM Cortex M3 operanti a 33 e 100 Dmips, amplificatori, blocchi di filtraggio digitale dedicati, convertitore A/D delta sigma configurabile, driver Lcd integrato in grado di pilotare fino a 736 segmenti, funzioni di rilevamento capacitivo per rilevamento di prossimità e sfioramento tattile, 2 kB di Eeprom, interfaccia Usb 2.0 Full Speed e numerose altre funzioni che permettono di realizzare soluzioni complete su un unico chip. Questi dispositivi, abbinati all’ambiente di sviluppo integrato PSoC Creator, che dispone di moduli IP preprogrammati per ciascuna funzione, mettono a disposizione dei progettisti tutti i tool necessari per la realizzazione di prodotti programmabili compatti in tempi brevi.
