Table of Contents
إن تصميم نماذج التناوب المدمجة هو تحد أساسي في النهوض بالأجهزة الطبية المحمولة، وهذه الوحدات تتيح تحويلاً عملياً من قبيل التناظر إلى الأرقام يعطي الأولوية للقدرة المنخفضة وبصمات صغيرة، وكلتاهما حرجة في الرصد الصحي المستمر، وسواء كان معدل تتبع القلب، أو غلوكوز الدم، أو غطاء الأوكسجين، والقدرة على تحديد الإشارات الفيزيائية بدقة في مجموعة من الأدوات الطبية المزودة بالأشعة، تؤثر مباشرة على القدرة على توليد الطاقة.
Understanding Delta Modulation
إن طريقة الضبط في دلتا هي تقنية محددة في الأسرة ذات الصبغة المتمايزة للنبضات، وبدلاً من تحديد الحجم المطلق لإشارة التماثل في كل عينة، فإنها لا تورد إلا إشارة الاختبار البسيط بين العينات المتتالية، وهذا الفرق يمثل كنقطة واحدة:
وقد اكتسبت عملية تعديل الدلتا تاريخياً من تطبيقات عسكرية واتصالات سلكية بسبب قوتها من أخطاء النقل، ففي الأجهزة الطبية، يكمن النداء الرئيسي الذي وجهته في البساطة المتأصلة واستهلاك الطاقة المنخفض، خلافاً للاختناق المتعاقب أو للهيكلات التراكمية ذات المقاييس العالية التي تتطلب دوائر متماثلة مع معدلات عينات عالية، يمكن أن يحقق التعاون التقني المائي حلاً معقولاً بأعداد ضئيلة.
ومن المهم التمييز بين الصيغ الفوقية والصيغة الجامدة، وتقنية ذات صلة ولكن أكثر تطوراً، وفي صيغة الجيل (التي تسمى أيضاً المقياس العام)، يتم دمج الإشارة الاختلافية قبل القياس الكمي، التي تشكل الضوضاء الكمية إلى مستويات أعلى من الترددات، وتتيح إيجاد حل أعلى بتكلفة التصفية الرقمية العالية.
] The beauty of delta modulation is that it trades spectral efficiency for circuit simplicity. In the context of portable medical devices, that trade-off often yields the best balance of power, size, and reliable." — Analog Devices Application Note AN-308]
اعتبارات التصميم الخاصة بالأجهزة الطبية المتنقلة
Size Constraints at the Board Level
(ب) الأجهزة الطبية المحمولة - سواء كان معصماً قابلاً للارتداء، أو كبسولة غير قابلة للزراعة، أو رقعة لرصد الغلوكوز المستمر - الحد الأدنى من عنصر الرصد ومساحة اللوحات، وكل مليمتر إضافي مربوط بمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور يزيد من تكلفة الحيز المتاح للبطارية أو صفيفة الاستشعار، ويستلزم تصميم نموذج للتعديلات المدمجة عناصر مختارة في أصغر مجموعات المواد المتاحة (بديلان) (بديلان) (ب)
كفاءة الطاقة كعامل رئيسي
حياة البطارية تؤثر بشكل مباشر على امتثال المرضى وقابلية تسويق الأجهزة، وحدة تعديل الدلتا يمكن تصميمها لتستهلك أقل من 10 ميكرو ألف من 1.8 في المائة من الإمدادات عند العمل بمعدل قليل 32 كيلوب، ولتحقيق هذا الأداء المنخفض، يجب على المهندسين أن يختاروا بدقة تياج التحيز الذي يقوم به المقارنات، والتقليل إلى أدنى حد من تسرب جهاز الاستشعار عن طريق البطاقات، وتنفيذ أسلوب الإغلاق أو التدوير
الإشارة في العطاء وإدارة الضوضاء
وكثيراً ما تكون الإشارات الطبية منخفضة (مثلاً، يبلغ ذروة موجة من الترددات المتوسطة في الأوكتينولوميك 1 ملليغرام) وتلوثها تدخلات خط القوى الهاشمي، والتحركات اليدوية، والضوضاء الحرارية، ويجب أن تكون لدائرة العزلة نطاق دينامي كافٍ ودرجة ضوضاء منخفضة، باستخدام نظام لضبط الضوضاء النجمية .
التكامل مع حواجز أخرى في المنظومة
ونادرا ما توجد وحدة نموذجية في العزلة، حيث إن ناتج تعديل الدلتا هو عادة مجرى رقمي يجب تجهيزه بواسطة جهاز التحكم بالميكروفون أو نظام المعلومات الإدارية من أجل زيادة التصفيف أو الضغط أو النقل اللاسلكي، وتصميم الوحدة على إنتاج إشارة واحدة من المدار الواحد مع سمات جليسة معروفة، يبسط الوصل الرقمي، وتدمج بعض التصميمات الحديثة بينية منضدة الدلتا، ومصفحة من عيارين من عيارين من عيارين.
العناصر الرئيسية لنموذج تعديل دلتا
ويمكن تقسيم التشريح الذي يحتوي على وحدة تعديل الدلتا إلى أربع كتل هي: الخدمة المتخذة أساسا للمقارنة، والجهاز المركزي، والحجر، ومنطق الرقابة، ويجب اختيار كل عنصر بعناية وتحديده لتلبية المواصفات المستهدفة.
الخدمة المقارنة
(أ) يمكن أن يكتشف المركب ما إذا كانت الإشارة إلى المدخلات أعلى أو أقل من الإشارة المرتدة المعاد بناؤها، وتشمل البارامترات الحرجة تأخير النشر، والهيستيريز، وقابلية المدخلات، والفولط، بالنسبة لوحدات الطب، فإن مدخل السكك الحديدية إلى السكك الحديدية مع التعويض دون ميلي هو أمر شائع.
المدمج
ويعيد المدمج بناء الإشارة المشابهة من المجرى الرقمي، وكثيرا ما يتم تنفيذها كجهاز تكامل متحول أو جهاز تكامل بسيط من أجهزة RC، ومن أجل الدمج، يفضل استخدام أجهزة الرفض على الأقمشة ذات الصبغة الغذائية المنخفضة، ويجب أن يكون ثابت الرقم القياسي للجهاز مطابقا لمعدل الصوتيات المرنة والتصميم الترددي المتوقع.
الكمية
وفي معرض حديثه بحزم، فإن المحاكاة في درجة حرارة واحدة هي المحكّم المقارن نفسه - وهي نواتج ذاتية واحدة، ولكن عندما ينفذ تعديلاً متعدد الأطياف أو تكييفياً، فإن المربوط المكرس يتيح أكثر من عينة واحدة، ويزيد من القرار، أما بالنسبة للأجهزة المحمولة، فإن الكميات المتعددة من المدارات أقل شيوعاً لأنها تزيد من التعقيد والقوى، وإذا كانت هناك حاجة إلى تصميمات ذات هيكلية أعلى.
المراقبة
ويدير منطق الرقابة فارق الساعة، والحساب المضبوط، وأي تسلسل يبدأ، ويستخدم أحيانا منطق برمجة (مثل مجموعة صغيرة من البرمجيات الحرة والمفتوحة من أجل التنمية الزراعية) ولكن بالنسبة لأدنى مجال من مجالات القوة والصغيرة، يفضل استخدام نظام معلومات آسيتية مكرس أو جهاز حكومي مخصص في مضاهاة الميكرومتر، كما يعالج منطق الرقابة التزامن مع دوائر البيانات الرقمية المتطورة، بما يكفل أن يكون المسار الآخر متوائما.
استراتيجيات التصميم للتقليل من التناقص
وكثيرا ما يتطلب تحقيق الأهداف الكبيرة للأجهزة الطبية القابلة للارتداء خروجا عن مخططات العناصر المتباينة، وتُستخدم الاستراتيجيات التالية عادة.
دوائر متكاملة ذات مهام متعددة
Milicon suppliers now produce highly integrated analog front-ends (AFEs) that include a full delta modulation ADC alongside a programmable gain amplifier, a voltage reference, and a multiplexer. For instance, the ADS1298[FT:1] from Texas Instruments is an eight-channel, 24-bit delta-sigma
ركوب الأمواج السطحية وقطعة الشيب - سكايل
وباستخدام 0201 مقاوم (0.6 مم) و 0.3 مم، و 002 402 مكثف، إلى جانب مجموعات رقائق لمركبات الكربون الدولية، فإن ذلك يقلل بشدة من آثار الأقدام، وبالنسبة لأمين مدمج، يمكن إدماج قيمة صغيرة (مثل 10 كيلو فولط) على الرصيف؛ وبالنسبة للثبات الزمنية الأكبر، ينبغي أن يكون جهاز قياسي خارجي من طراز X7R في مجموعة من المواد الـ 001.
الدائرة المثلى
ويمكن أن تتسبب المنافذ السريعة في التكلم عبر مدخلات المناظر، وينبغي استخدام طائرة أرضية تحت قسم المناظرات، وينبغي أن يكون مسار التغذية المرتدة من ناتج الخدمة المدنية إلى المدمج قصيرا قدر الإمكان، وأن يخفض المقياس المقارن إلى جانب الموصل الموصل بمنتجات الاستشعار التدخل، وإذا كان القصد من الوحدة هو إعادة شحن الأجهزة، فإن جهازا مخصصا لإمدادات الطاقة.
اختيار عنصر منخفض القوام
كل ميكرومتر: متجانسات مختارة ومضخات تشغيلية ذات تيار منخفض من الكيسوست، والقدرة على العمل عند 1.8 V أو 3.0 V.. Use withdrawal-up resistanceors in the megaohm range for open-drain outputs. Avoid linear voltage regulators that draw more than 1 kioescent; instead، استخدام أجهزة التبديل التي تضرب على مدار الساعة.
دراسة حالة الطلب
مراقب غلوكوز مستمر
A continuous glucose monitor for diabetes management must be worn for 7-14 days, smaller than a thumbprint, and consume minimal power. The electrochemical sensor produces a current in the range of 0.1 nA to 10 miA, which is converted to a voltage by a transimpedance amplifier 128.
هذا التصميم يُظهر المبادلات: يستخدم المدمج 5 ميغاهيمنات، وجهاز التحكم المقارن لديه نصف مليفي قابل مُقَوَّل في المصنع، و المنطق الرقابي ينفذ في الطرف الزمني لوحدة التحكم في البضائع، ولا حاجة إلى أي مركز خارجي للتصنيف الصناعي، ووفر التكلفة وحيز الفضاء.
الاتجاهات والابتكارات في المستقبل
والطلب على الأجهزة الطبية الأصغر والأذكى يدفع تصميمات الدلتا إلى الحدود الجديدة.
تعديل دلتا التكيف مع التعلم في مجال الآلات
ويمكن أن يُعدل الخوارزمية التكييفية، عن طريق رصد إحصاءات منحدر الإشارة باستمرار، حجم الخطوة لتعظيم النطاق الدينامي مع إبقاء المعدل المنخفض نسبياً.
مُعدّلات دلتا متكاملة على متن الشيب
وتضع شركات العرض شبه الموصلات الرئيسية مؤشرات قياسية تجمع بين سلسلة الشعارات، وثغرة الصيغ الملتوية، والتفاعل الرقمي في نظام غذائي واحد يقع في غذاء واحد طوله 1.5 مم، ومقياس للجرعات، وأجهزة التجميل التي يتوقع أن تكون متجانسة، على وجه التحديد، أن تكون نموذجاً لتكامل متماثل بدرجة عالية، وإن لم تكن مطلباً متماثلاً.
Energy Harvesting and Zero-Power Sensing
وقد تثبط الأجهزة الطبية المحمولة في المستقبل الطاقة من حرارة الجسم أو الحركة أو حتى خلايا وقود الغلوكوز.() وقد أدى انخفاض الطاقة في نظام دلتا إلى جعله مرشحا طبيعيا لمثل هذه المقاييس المشعرة التي لا تملك قوة، وقد أثبت الباحثون في معهد البحوث التابع لشركة " FLT:0 " () وجود مولد كهربائي صغير يعمل من طراز دلتا يعمل من طراز 0.3 V.
إجراء تعديل أعلى لتحسين تشكيل النواة
وفي حين أن التناوب الأول من الطوابق يعاني من ارتفاع في حجم القاع وضغط المنحدر، فإن من شأن الحلقات الثانية والثالثة أن تقلل بشكل كبير من الضجيج في النطاقات، وهذه التصاميم أكثر تعقيداً، ولكن يمكن التقليل منها باستخدام عمليات متقدمة في إطار نظام الرصد والتحقق المستمرين (مثل 28 نانوماً) ويمكّن تشكيل جهاز الترميز من تحقيق 90 من الارتطاً في إطار التردد العالي الكمبي.
خاتمة
وسيتطلب تصميم نماذج التناوب المدمجة للأجهزة الطبية المحمولة موازنة القوى والحجم وخصائص الإشارة في إطار قيود تنظيمية صارمة، وبفهم التشغيل الأساسي للمسح الفوقي، واختيار العناصر بعناية، وتطبيق تقنيات التقليص الحديثة، يمكن للمهندسين أن يخلقوا نماذج تتقلص باستمرار الرصد الصحي في مجموعات أصغر من القطع النقدية، وباتت الزيادة في نماذج الخوارزميات التكييفية، وبرمجيات متكاملة للبناء، ومخططات الخاصة بالطاقة.
For further reading, consult the Texas Instruments application note on delta-sigma ADCs for medical instrumentation] and the Maxim Integrated guide to low-noise sensor design.