Le applicazioni medicali di uso personale saranno nel prossimo futuro una importante sfida per gli sviluppatori di sistemi. Tali applicazioni avranno caratteristiche molto simili a quelle di natura consumer (basso costo, piccole dimensioni, bassissimo consumo, ecc.), ma allo stesso tempo avranno requisiti speciali molto stringenti, per esempio quelli di sicurezza (si tratta di sistemi di natura elettronica che sono messi in contatto diretto con il corpo umano tramite elettrodi a contatto superficiale o anche a inserzione sottocutanea). Due sono le tecnologie abilitanti per questa nuova classe di applicazioni: la tecnologia wireless e la tecnologia dei microcontrollori ultra low-power che integrano interfacce wireless e interfacce Usb. Entrambe queste tecnologie sono ormai disponibili a vari livelli di integrazione Cmos, fino ad essere disponibili su due o anche un solo chip, quindi capaci di soddisfare i requisiti di basso costo, piccole dimensioni e basso consumo energetico. Oltre a queste caratteristiche comuni alle applicazioni consumer e alle applicazioni medicali professionali, le applicazioni medicali personali hanno ulteriori requisiti che impongono soluzioni di computing e di sistema che necessitano di tecnologie di micro controllo molto avanzate, come le misure analogiche molto accurate e la comunicazione wired e wireless ad altissima affidabilità.
Come funziona un personal health system
Un sistema di controllo personale della salute raccoglie dati come il peso, la pressione del sangue, il battito cardiaco, il ritmo respiratorio, e li trasmette a un personal computer o un palmare. In questo sistema, un microcontrollore svolge il ruolo di sistema centrale di controllo e contemporaneamente anche di sistema di acquisizione dati e di misura (anche se le misure più accurate e le rappresentazioni di tali misure in forma semplice e intuitiva sono demandate al personal computer cui è connesso il sistema di controllo personale dalla salute). Il microcontrollore in questo caso è un system-on-chip di natura mixed-signal che integra sia il sottosistema di acquisizione dati, sia le periferiche di comunicazione wired e wireless necessarie. Silicon Labs ha realizzato una Mcu mixed-signal che integra le necessarie periferiche analogiche ad alte prestazioni e una architettura di calcolo capace di 100 Mips pur mantenendo bassissimi i consumi di potenza elettrica. Tale Mcu integra anche quelle periferiche intelligenti necessarie in questa classe di applicazioni. Silicon Labs non ha solo reso disponibile una Mcu particolarmente adatta alle applicazioni medicali personali, ma ha anche combinato questa Mcu con la tecnologia wireless a più elevate prestazioni per ottenere il minimo consumo e dimensioni con sensibilità in ricezione elevatissima. A tale scopo ha reso disponibile un reference design costituito da due schede (RF-to-Usb) che consente di prototipare un sistema che in modalità wireless è in grado di trasferire in streaming i dati da una scheda a un computer attraverso un Usb dongle (Silicon Labs rende disponibile gli schematici, i file Gerber, il software che realizza l’interfaccia grafica su Pc e tutto il firmware che gira sulla Mcu).
Questo reference design consiste di un potenziometro che simula un segnale analogico esterno che a sua volta viene convertito da un Adc. La temperatura viene invece catturata tramite un sensore integrato. Entambe queste misure vengono inviate sotto forma di dati attraverso un Uart, quindi attraverso il dongle Usb vengono inviati al Pc per essere visualizzati.
Un reference design kit per la connessione da RF a Usb
Silicon Labs ha reso disponibile un reference design kit che implementa in maniera completa la connettività tra apparecchiatura medicale portatile di uso personale con il personal computer utilizzando la tecnologia RF e quella Usb per la connessione, e la tecnologia RF per l’isolamento galvanico (vedi box). Il kit si compone di due schedine, una che integra quanto serve per realizzare il nodo di trasmissione (un microcontrollore low-power C8051F912 e un chip RF Si4432 EZRadioPro) e una che realizza il dongle Usb (che monta un chip RF Si4432 EZRadioPro e un microcontrollore low-power C8051F342 Usb). L’integrazione della Usb nella Mcu è un fattore di innovazione molto importante per chi sviluppa applicazioni di uso personale, in particolare quelli medicali. Il microcontrollore a basso consumo energetico di Silicon Labs integra on-chip la connettività Usb 2.0 con capacità di trasferimento dati da 2 a 12 Mbit/s e da 16 a 64 kbyte di memoria Flash. I driver della Usb 2.0 sono disponibili allo sviluppatore in modalità royalty-free. La disponibilità di un componente che integra tutta la necessaria funzionalità per la connettività RF è l’altro importante aspetto di interesse di questo kit. Il componente, Si443x è uno dei membri della nuova famiglia di prodotti EZRadioPRO di Silicon Labs. Oltre a caratteristiche avanzate come l’elevata integrazione, il basso costo e la flessibilità applicative, di questo dispositivo va evidenziata la capacità di coprire con continuità il range frequenziale da 240 a 960 MHz, oltre a fornire un segnale di uscita fino a 20 dBm.
Isolamento galvanico Cmos
L’isolamento galvanico per le applicazioni medicali rappresenta una problematica fondamentale aggiuntiva rispetto alle altre applicazioni (per esempio quelle consumer non medicali) che lo sviluppatore deve affrontare e risolvere adeguatamente perché il prodotto finale possa essere approvato. L’isolamento galvanico fa parte degli standard medicali che servono a garantire la sicurezza del paziente quando questo viene a contatto diretto con apparecchiature elettroniche. Questi standard di sicurezza vanno rispettati anche per le applicazioni medicali di uso personale. In particolare l’isolamento galvanico va garantito soprattutto quando l’apparecchiatura di uso personale, normalmente alimentata a batteria, viene connessa ad una apparecchiatura alimentata a corrente alternata di rete, per esempio il personal computer. Il contatto diretto dell’apparecchiatura con la pelle dell’utilizzatore, favorito a volte da mezzi conduttivi come il gel o fluidi per il corpo, aumenta ulteriormente il pericolo di shock da scarica elettrica. In base alla tensione operativa, le apparecchiature medicali si suddividono in tre classi:
• Classe I – Apparecchiature operative sotto i 70 volt: è necessario l’isolamento galvanico base e la protezione di massa (grounding).
• Classe II – Apparecchiature operative sopra i 70 volt: è necessario l’isolamento galvanico rinforzato o il doppio isolamento.
• Classe III – Apparecchiature operative sotto i 25 volt AC o i 60 volt DC: sono classificati come Selv (Safety Extra Low Voltage) e non è necessario l’isolamento galvanico.
Le tecniche correnti di isolamento galvanico sono due, quella basata sugli optoaccoppiatori e quella basata sui trasformatori. Entrambe queste soluzioni sono problematiche. Gli optoisolatori sono lenti e variabili nelle prestazioni in funzione della temperatura e del tempo. Inoltre, l’uso della tecnologia Gallium-Arsenide rende poco affidabile tale sistema alle alte temperature. I trasformatori sono più veloci e affidabili, ma non fanno passare la corrente continua e le basse frequenze, imponendo significative limitazioni al timing di sistema, oltre ad essere inefficienti per i consumi di potenza e molto ingombranti. Per le applicazioni medicali di uso personale sono richieste tecnologie innovative per l’isolamento galvanico. La tecnologia Cmos offre questa opportunità in quanto consente di utilizzare la comunicazione RF invece dell’accoppiamento ottico e consente di trasferire dati a frequenze da 0 a 150 Mbit/s, consumando meno spazio (è possibile incapsulare fino a 6 isolatori per package) e meno potenza elettrica (low-power Cmos). Per esempio, in un’applicazione Ecg la parte di front-end di acquisizione del segnale cardiaco viene interconnessa tramite un isolatore Cmos (Silicon Labs Si8630 ISOpro Digital Isolator) senza creare colli di bottiglia nel trasferimento dati, essendo capace questo di trasferire senza limitazioni da 0 a 150 Mbit/s.
