עיצוב מודולים דלתא מודולים עבור מכשירים רפואיים ניידים

עיצוב מודולים קומפקטיים דלה מודולים הוא אתגר יסוד לקידום של מכשירים רפואיים ניידים.מודולים אלה מאפשרים המרה אנלוגית-דיגיטלית יעילה כי עדיפות כוח נמוך וטביעה קטנה, הן קריטי עבור ניטור בריאות מתמשך.אם קצב מעקב, גלוקוז בדם או ריצוף חמצן, היכולת לקוד אותות פיזיולוגיים במדויק בחבילה מוגבלת חלל, משפיע ישירות על יכולת חיים, טיפול סוללה, איכות של מערכת טיפול רפואי קצר, ומערכת טיפול תרופתית לא ניתן לחבושת במהירות.

הבנה של Delta Modulation

שיטת דלתא היא טכניקה מסוימת במשפחתו של מודולציה דו-קוד שונה (Delta Modulation) במקום לכמת את הגודל המוחלט של אות אנלוגי בכל דגימה, היא מקודמת רק את FLT:0differenceFLT:1 בין דגימות רצופות.ההבדל הזה מיוצג לעתים קרובות כמו רק פיסת יחיד: "1" מציין את האות גדל, "0" מציין כי הוא ירד.

מבחינה היסטורית, דלה מודולציה צברה מצעים צבאיים וטלקומוניקציה בגלל האינטנסיכות שלה נגד שגיאות שידור.במכשירים רפואיים, הערעור העיקרי שלה הוא בפשטות הטבועה שלה וצריכת חשמל נמוכה.בניגוד לאדריכלות הצלחה או אדריכלות ADC פלאש הדורשים מכשירים אנלוגיים מורכבים ושיעורי מדגם גבוה, ADC משתנה דלה יכול להשיג החלטה סבירה עם רכיבים פעילים.

חשוב להבחין בין Modulation delta (נקרא גם ⁇ ) של sigma-delta Modulation, את ההבדל משולב לפני הקוונטים, טכניקה קשורה אך מתוחכמת יותר.ב-sigma-delta (נקרא גם ⁇ ) Modulation, את האות הוא משולב לפני הזיהוי, אשר מעצב את הרעש הקוונטי לתדרים גבוהים יותר ומאפשר לרזולוציה גבוהה יותר של מסנן דיגיטלי יותר.

(היופי של דלה מודציה הוא כי הוא סוחר יעילות ספקטרלית עבור פשטות מעגלית.בהקשר של מכשירים רפואיים ניידים, כי לעתים קרובות המסחר מניב את האיזון הטוב ביותר של כוח, גודל ואמינות." - (FLT:1Analog התקנים יישום Note AN-30803FLT:2Fov 3)

דרישות עבור מכשירים רפואיים ניידים

גודל ה-Central

מכשירים רפואיים ניידים - בין אם פס יד עוטה, קפסולה בלתי אפשרית, או תיקון ניטור גלוקוז מתמשך - דרישה מינימלית ספירת רכיב ולוח שטח.כל מילימטר נוסף מרובע של נדל"ן PCB עולה ומצמצמצמצמצמת את החלל הזמין עבור הסוללה או חיישן.עיצוב מודול קומפקטי דלה מודול דורש בחירת רכיבים בחבילות הקטנות ביותר הזמינות (למשל, 0201 מתנגדים, WLCC) ושילוב רשתות ASIC עצמה.

כוח יעילות כנהג ראשוני

חיי סוללה משפיעים ישירות על תאימות המטופל ואת יכולת השוק של מכשיר. A delta מודולulation ניתן לתכנן לצרוך פחות מ 10 μA מ-1.8 V האספקה כאשר פועל בקצב של 32 kbps. כדי להשיג ביצועים כה נמוך כוח, מהנדסים חייבים לבחור בקפידה את הטיות של קופרטור, למזער את הדלפה של capacitor של integrator, וליישם או לסגור תפקוד אלקטרוגרם, יכול לתפוס את הנקה, לדוגמה, כדי ללכוד את הנקה.

אות נאמנות וניהול רעש

אותות רפואיים הם לעתים קרובות amplitude נמוך (למשל, ECG טיפוסי יש שיא של 1 mV) מזוהמים על ידי 50 / 60 הרץ קו כוח התערבות, פריטים תנועה, רעש תרמי.הדלו הדלבון חייב להיות מספיק טווח דינמי ו רצפת הפיכה נמוכה.שימוש ב- FLT:0adaptive del ModulationFLT:1 - שבו הגודל על בסיס אותות דינמיים, כולל הגדלת טווח מגן, כולל הגדלת של מדרונות, כולל הגדלת מהירות גבוהה יותר, כולל הגדלת של מקודמת, תוספת גבוהה יותר, תוספת גבוהה יותר, כולל הגדלת קצב הגנה.

שילוב עם בלוקים אחרים

מודול קומפקטי נדיר קיים בידוד.הפלט Modulation הוא בדרך כלל bitstream דיגיטלי כי חייב להיות מעובד על ידי מיקרובקר או DSP עבור סינון נוסף, דחיסה, או שידור אלחוטי.עיצוב המודול כדי לייצר אות 1 סיביות נקי עם תכונות ג'טר ידוע מפשט את הממשק הדיגיטלי. כמה עיצובים מודרניים משלבים את מודול דלה, מסנן אנטי-פליה, וממשק יחיד של 2 מ"מ"מ ל- 2 מ"מ רכיבים חיצוניים.

המונחים: aקומפקטי Delta Modulation

האנטומיה של מודול של דלה ניתן לפרוץ לארבעה בלוקים: הנספח, האינטגרטור, הקומטור, הקוואנטיאר, ולוגיקה הבקרה.כל רכיב חייב להיות נבחר בקפידה וגודל כדי לענות על מפרט המטרה.

השוואת

(הפסקה) מגלה האם אות הקלט גבוה או נמוך יותר מאשר אות משוב משוחזר. פרמטרים קריטיים כוללים עיכוב הפיצול, היסטריה, ותפקוד ה-protset. for Medical-class, a Rail-to-rail exparator עם מילימטרים של ⁇ מתחת ל- 1xivolts-coms-com-FLT:0TS881Falr מ-St.

Integrator

האינטגרטור משחזר את האות האנלוגי מה bitstream הדיגיטלי.It הוא לעתים קרובות מיושם כמו מהפך קמצ'יטור או RC פשוט tegrator. עבור קומפקטיות, על שבבים עם ספיגה דיאלקטרית נמוכה מועדפים.זמן קבוע של integrator חייב להתאים את קצב השעון הקטן ואת אות הצפוי רוחב פס נייד רבים, integrator הוא משולב עם מסנן נמוך או לספק מסנן נוסף כדי לספק מסנן רעש נמוך.

המונחים: Quantizer

באופן פשטני, במודולטור 1 סיביות של ה-Kelta הוא הקומפואר עצמו - הוא מתווה מעט אחד.עם זאת, כאשר יישום multi-bit או הסתגלות של delta Modulation, קוונטין ייעודי מאפשר יותר מקצת אחד לדגימה, הגדלת ההחלטה. עבור מכשירים ניידים, מולטי-bit קוונטים הם פחות נפוצים כי הם מוסיפים מורכבות ורזולוציה גבוהה יותר הוא צורך, בדרך כלל מעצבי תנועה.

שליטה בהגיון

ההיגיון השולט מנהל את מפיץ השעון, את ה bit-counting, וכל לוגיקה של התחלה (כמו FPGA קטן או CPLD) משמש לעתים, אבל עבור הכוח הנמוך ביותר והאזור הקטן ביותר, ASIC ייעודי או מכונה ממשלתית אישית המיושמת במיקרובקר הוא המועדף.

אסטרטגיות עיצוב עבור Miniaturization

עמידה במטרות הגודל של מכשירים רפואיים לבישים לעתים קרובות דורשת עזיבה של פריסות רכיב דיסקרטי.אסטרטגיות הבאות מועסקות בדרך כלל.

מעגלים משולבים עם פונקציות מרובות

(הספקים של הסיליקון מייצרים כעת חזית אנלוגיה משולבת מאוד (AFEs) הכוללת MCta Modulation ADC מלא לצד מגבר בעל יכולת גבוהה, התייחסות למתח, ומספרxer.לדוגמה, MCFLT:0ADS1298FLT 1 מטקסס מכשירים הוא 8 ערוצים, 24bit-sigmaDC הכולל פונקציות אלה, אך ורק אז חלקי של AMC2A (בקיצור של ALT) הוא לעתים קרובות כמה מרכיבים נדירים (IFSD) ו-FER) של IFV) מ-ALT2APT2APT) של חומר זההחומרים נדירים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כמה מרכיבים מסוימים, כלומר, כלומר, כלומר, כמה מרכיבים מסוימים, כלומר, כמה מרכיבים מסוימים, כלומר, כמה מרכיבים מסוימים, כלומר, כלומר, כמה מהם, כלומר, כמה מהם, כלומר, כלומר, מספר 1 מ-ALT2ALT2ALT2FLT2ALT2ALT2ALT2ALT2ALT2ALT2ALT1, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר

צ'יפ-סייל Packaging

באמצעות 0201 מתנגדים (0.6 מ"מ × 0.3 מ"מ) ו- 0402 capacitors, יחד עם חבילות בקנה מידה שבב עבור ICs, להפחית באופן דרסטי את טביעת הרגל.עבור ה- integrator capacitor, ערך קטן (למשל, 10 pF) ניתן לשלב על שבב; עבור קבועים גדולים יותר, X7R החיצוני של חבילת 0201 צריך להיות ממוקם על גבי שכבת פאסיבי כדי למזער את הרכיבים בצד אחד.

המונחים: cleleout

bitstreams במהירות גבוהה יכול לגרום לדיבור חוצה על קלט אנלוגי. מטוס קרקע צריך לשמש מתחת לחלק האנלוגי, ואת נתיב משוב מן הפלט של ה- comparator ל integrator צריך להיות קצר ככל האפשר.לצמצם את ה- comparator קרוב לחבר פלט חיישן להפחית את ההתערבות.אם המודול מיועד למכשירים חד-פעפיים, אספקת חשמל ייעודית (LD) עבור האנלוגיה הוא מומלץ.

בחירה בעלת כוח נמוך

כל מיקרו-אמפ משנה.בחירת המאגדים והמגבר התפעולי עם זרם quiescent נמוך ויכולת לפעול ב-1.8 V או 3.0 V. השתמש בהתנגדות במגוון מגה-אום לפלטים פתוחים. להימנע ממרגולטורים של מתח ליניאריים המניבים יותר מ-1 μA quiescent; במקום זאת, השתמש בהחלפת הרגולטורים כי הם מסונכרנים למודולטורף כדי לנצח את השעון.

מבחן מקרה

סורק Front-End

לפקח גלוקוז מתמשך עבור ניהול סוכרת צריך להיות שוחק במשך 7-14 ימים, קטן יותר מאשר טביעת אצבע, לצרוך חשמל מינימלי. חיישן אלקטרוכימי מייצר זרם בטווח של 0.1 nA ל 10 μA, אשר מומר למתח על ידי מגבר טרנססרמנטל מתאים רק ל- 4x-Abit מבוקרת עם טיפול חכם ADC יעיל.

עיצוב זה מדגים את העסקאות: האינטגרטור משתמש 5 pF MIM capacitor, ה- נספח יש 0.5 mV מכווץ trated במפעל, ואת לוגיקה השליטה הוא מיושם ב פריפריה של MCU.אין ADC חיצוני IC נדרש, חיסכון עלות ומרחב.

מגמות וחדשנות עתידיים

הביקוש למכשירים רפואיים קטנים יותר, אינטליגנטיים יותר דוחף עיצוב של דלה לקווי גבול חדשים.

החלפת דלתא עם Machine Learning

על ידי מעקב מתמיד אחר הנתונים הסטטיסטיים של מדרון האות, אלגוריתם הסתגלות יכול להתאים את גודל הצעד למקסימום טווח דינמי תוך שמירה על קצב נמוך. Integrated ML מאיצים על מיקרו-בקרים אולטרה-עוצמה כמו FLT:0Ambek Apollo4FLT:1 לאפשר הסתגלות בזמן אמת ללא התעוררות CPU הראשי. זה יכול להכפיל את SNR עבור אותות שונים כגון תנועה גלנדר, כגון גלנדר.

On-Chip Fully-Integrated Delta Modulators

חברות מובילות למחצה מתפתחות ASICs המשלבות את ה- אנלוגי חזיתית, לולאה דלה מודולוציה, וממשק דיגיטלי במות יחיד שוכנו ב-1.5 מ"מ × 1.5 מ"מ WLCSP. Analog מכשירים של אנליסטים:0ADA4351FLT:1 הוא דוגמה של קו החזית האנלוגי משולב מאוד, אם כי לא ממודולטור טהור.

אנרגיה מתחדשת ו- Zero-Power Sensing

מכשירים רפואיים ניידים עתידיים עשויים לנקז אנרגיה מחום גוף, תנועה, או אפילו תאי דלק גלוקוז.כוחו הנמוך של דלתא הופך אותו למועמד טבעי לחיישן אפס כוח-עוצמה כזו. חוקרים ב-FLT:0IMEC מחקר מכון מחקר אבולוציהFLT:1 הוכיחו ממודולקטה שפועל מ- 0.3 V, המאפשרת הפעלה ישירה ללא סוללות ממכשיר סולארי או גנרטור תרמואלקטרי קטן.

הוראות נוספות לשיפור רעש

בעוד שמודולציה מסדרת ראשונה דלה סובלת מצלילים idle ו-Dirle overload, לולאות דו-דור שלישי יכולות להפחית באופן דרמטי רעש בפס.עיצובים אלה מורכבים יותר, אך ניתן למזער באמצעות תהליכים מתקדמים של CMOS (למשל, 28 nm) Noise s מעצבת את זה מאפשר להשיג 90 dB SNR ב רוחב פס 10 הרץ - מתאים עבור אלקטרו-אופטימיות גבוהה או סימפוניות.

מסקנה

תכנון מודולים קומפקטיים של מכשירים רפואיים ניידים דורש איזון כוח, גודל, וסימן נאמנות בתוך מגבלות רגולטוריות מחמירות. על ידי הבנת הפעולה הבסיסית של דלה מודולציה, בקפידה בחירת רכיבים, וליישם טכניקות miniaturization מודרניות, מהנדסים יכולים ליצור מודולים המאפשרים ניטור בריאות רציף בחבילות קטנות יותר מאשר מטבע.העלייה של אלגוריתמים מתאימים, שילוב ASICs, ואנרגיות אנרגיה כדי לשפר את הביצועים הרפואיים שלהם, בעודם מתקדמים יותר, כמו גם כן, כמו גם את המודולים מתקדמים, כמו גם את המודולים מתקדמים יותר.

לקריאה נוספת, מומלץ להתייעץ עם יישום ה-FLT:0 (Texas Instruments Note) על דלה-סגמה ADCs עבור כלי רפואי FLT:1 ואת ה-FLT:2MAXim Integrated Guide to low-noise חיישן עיצוב FLT 3: 3.