מכשירים רפואיים לבישים שינו את הבריאות על ידי מתן ניטור רציף, לא פולשני של סימנים חיוניים ואותות פיזיולוגיים כגון קצב לב, לחץ דם, שחיקה חמצן, ואלקטרונספלוגרם.המכשירים האלה פרוסים בהגדרות קליניות, ניטור סבלני מרחוק, מעקב אחר בריאות יומיומי אחר אותות של כל מכשיר רפואי בעל פה תלוי באופן ביקורתי על נאמנות של אותות שהיא קולטת, תנועה, תכונות של פרופילים או פרופילים יעילים, או קומפקטיים של תכונות.

החשיבות של אות קלרנס במכשירים לבישים

זיהוי אותות אקומי הוא הבסיס של כל אבחון רפואי הנגזר מחיישנים לבישים. החלטות קליניות המבוססות על אלקטרוקרדיולוגים (ECG), photoplethysmography (PPG), או אלקטרומוגרפיה (EMG) דורשות גלפורציות חופשיות משחיתות. Noise מקורות הם רבים ומשתנים עם מדדי שריר וסביבה רגישה.

ללא סינון הולם, פריטים אלה מאגדים את פלט חיישן הגלם, ומייצרים מדדים לא אמינים עבור קצב הלב פנוי, זיהוי rrhythmia, או השינה staging. בתרחיש מתמשך, אפילו תקופות קצרות של אות יכול לגרום לאותותות שווא או אירועים קריטיים מעורפלים. פילטרים Active פתורים אלה על ידי אופטימיזציה של קיבולת דיגיטלית (RAD) מסייע גם להפחתה מוגבלת של אותות (מחדש) כדי להגביר את קצבת אותות).

מה זה Active Filter?

מסננים פעילים הם מעגלים אלקטרוניים המשלבים מגבר תפעולי (op-amps) עם רכיבים פסיביים - מתנגדים ו capacitors - כדי לעצב את התגובה התדירות של אות.בניגוד לסננים פסיביים, אשר מסתמכים רק על מתנגדים, capacitors, ו inductors, מסננים פעילים להגדיר עלייה, לספק הפחתה גבוהה של קלט (הטעינה על החיישן), ומציעים פלט נמוך עבור שלבים לאחר מכן הם גם כן מסלקטיביים).

מסננים פעילים יכולים להבין כמעט כל טופולוגיה מסנן – Butterworth, Chebyshev, Bessel, או אליפטיטיס – כל אחד עם שינויים נפרדים בין פס פס פס, הפסקת פס, ו-Silentality בשלב. עבור אותות ביו-רפואיים, שבו שמירה על אותות גלימות גלימות נפרדות היא חשובה לאבחון (למשל, קומפלקס QRS חד ב- ECG), תגובות לינאריות (Berice) או ל-ofrenceer (אך הן לעתים קרובות יותר מאשר ל-reative) מאשר לסינון (אך הן דורשות תגובה אחת לשנייה של חומרת-Sate) אך הן יעילות יותר (אך הן דורשות (אך הן יעילות יותר) אך הן דורשות (או-S) אך הן יעילות יותר מאשר לסינון (אופסציה (אומטרידפסציה (אומטרידפס).

סוגים של מסנן Actives המשמשים במכשירים לבישים

פילטר נמוך

מסננים פעילים נמוכים מאפשרים לתאריכים מתחת לקיצוץ נבחר לעבור תוך הגדלת תדרים גבוהים יותר.במוניטורים ECG, מסנן נמוך Hz עם קיצוץ בין 40 הרץ ו -100 הרץ מסיר רעש שרירים גבוה קידוד גבוה (EMG) וכל מעבר חי פעיל מאספקת חשמל או מעגלים דיגיטליים.

High-Passs filter

מסננים פעילים גבוהים חוסמים רכיבים בתדר נמוך תוך העברת תדרים מעל קיצוץ.השימוש העיקרי שלהם במכשירים לבישים הוא לחסל את נדודי הבסיס - שינויים איטיים בבסיס האות הנגרמת על ידי הנשימה, תנועה, או סחף אלקטרודה.בתהליך שלב ECG, מסנן גלי גבוה עם חיתוך של 0.05 הרץ ל- 0.5 הרץ הוא סטנדרטי (בהתאם לסטנדרט), שמירה על מסלול אלקטרו-הבחנה לעתים קרובות מפילטרים איטיים.

Band-Passs filter

מסנני בנד-פס משלבים התנהגות דלת-פס ופס גבוה לבודד טווח תדר מסוים.הם חיוניים עבור אותות ביו-כישור כמו EEG ו- EMG שבו המידע מרוכז בלהקות מוגדרות.לדוגמה, פס של גידול בשינה עשוי להשתמש בפילטרים חד-פעמיים של הלהקה מ-125 הרץ ל-40 הרץ עבור EEG, תוך דחייה של סחף נמוך וגבוה של רעש, במיוחד מ- C5-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-Spe-Sack-Spe-S-Sack-S-S-Spe-Spe-S-S-S-Stra-Stra-Spe-S-Spe-S-S-S-S-S-S-S-Sack-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-Sacks-Sacks-Sack-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-Sack

מסננים

מסננים (או להקות-stop) נועדו להסיר להקה צרה, ספציפית תדר בעת שעזב את שאר הספקטרום במידה רבה ללא פגע.היישומים הנפוצים ביותר בהתקנים רפואיים עונדים הם חיסול של התערבות קו חשמל ב 50 הרץ או 60 הרץ, אפילו עם כבלים מקודחים יותר ויותר מכווצים ועיגולים מאובטחים, לחות חי יכול להיכנס לשרשרת האותות לא פעיל עם קו אפילגניבה (D) או פריך נמוך יותר מ- QK.

היתרונות של שימוש בפילטרים פעילים בלבושות

שילוב מסננים פעילים למכשיר רפואי בעל עוטה מספק מספר יתרונות קונקרטיים המתורגמים ישירות לביצועים טובים יותר ולחווית המשתמש.

  • (FLT:0)Imroved Signal-to- Noise Ratio (SNR): ההרחבה 1 בינואר על ידי הסרת רעש מתוך פס ולהגדיל את האות הרצוי, מסננים פעילים משפרים באופן דרמטי את SNR.זה מאפשר זיהוי של שינויים פיזיולוגיים עדינים, כגון שינויים P-wave ב- ECG או בדיכוי אלפא ב-EEG, עם שיעורי שקר נמוכים יותר.
  • (FLT:0) שילוב שילוב: FLT:1 פילטרים פעילים ניתן להבין על מעגל משולב יחיד עם רכיבים חיצוניים מינימליים. תצלומים מודרניים זמינים חבילות בקנה מידה שבב (WLS) מדידה פחות מ 1 מ"מ2, המאפשר שלב המסנן המלא ליישב שטח הרבה פחות סיפון מאשר מסנן פסיבי של ביצועים דומים.
  • (FLT:0)Low Power Conture:FLT:1 מתקדם CMOS דגימת לצרוך מיקרו-דגימות של היצע הנוכחי תוך שמירה על מוצר מספיק גבוה פסילי לתאריות ביו-רפואיים (בדרך כלל 10 kHz ל -100 kHz) מחולל טרנסנדנס תפעולי (טא) מבוסס עיצובים יכולים עוד להפחית את הכוח על ידי כוונון הנוכחי לתגובת סינון הנדרשת.
  • (FLT:0) ,Adaptability and Programmability:ראה פילטרים פעילים יכולים להיות מעוצבים עם תדרי חיתוך טוטלי באמצעות טכניקות מעבורת או על ידי התאמת ערכים מנוגדים באמצעות מיקרוסקופים דיגיטליים מבוקרים.זה מאפשר מכשיר אחד להסתגל לסוגים שונים של אותות (למשל, ECG לעומת EEG) ללא שינויים, המאפשרים לבישת מרובה-מתים.
  • (FLT:0)Buffering and Drive Capability:FreaLT:1) ,ההתמעה הגבוהה של דגי ה-O-amps מצמצם את הטעינה על החיישן, שמירה על שלמות האות.

אתגרים בביצוע פילטרים פעילים

למרות היתרונות הרבים שלהם, מסננים פעילים מציגים את מערך האתגרים ההנדסיים שלהם הדורשים תשומת לב זהירה בעיצוב לבבש.

צריכת חשמל לעומת ביצועים

בעוד שדגמי אגד בודדים יכולים להיות מאוד נמוך כוח, מסנן הזמנה גבוהה עשוי לדרוש שלבים מרובים של דגימה. עבור מסנן דו-אפ מסדרה רביעית של Butterworth נמוך-pass, שני שלבים מסדר שני (כל אחד עם אחד אודג) הם אופייניים.הפעלה מספר רב של דגימות באופן קבוע יכול למתוח את תקציב הסוללה, במיוחד עבור מכשירים כי חייב לרוץ במשך ימים או שבועות.

סובלנות וטמפרטורות ד"רift

התגובה התדירות של מסנן פעיל תלויה בערכים המוחלטים של מתנגדים ו- capacitors. מרכיבים על פני השטח הסטנדרטיים יש סובלנות של ±1% ל ±5%, אשר יכול לשנות את תדירות הניתוק על ידי אותו אחוז.על טווח הטמפרטורה של מכשיר לביש (0 ° C עד 50 מעלות צלזיוס), ערכי capacitor עשויים לסחף על ידי כמה מאות pm / C, שינוי מאפיינים רפואיים הדורשים דיוק דיגיטלי (0) ו- C.

רעשים פעילים

Op-amps עצמם לתרום רעש - הן רעש תרמי (ג'ונסון) ממתנגדים פנימיים ו 1 / F (f (flicker) רעש מן סיליקון.RHz - הן תרמי (קצה הקדמי), המתח של הדגן ומפרטים הרעש הנוכחי הופכים מכריעים.עבור חיישן גבוה כמו אלקטרודה מגע יבש, הרעש הנוכחי זורם דרך המקור יכול לשלוט מתח נמוך, אבל קרינת נמוך יותר (n-F) עם אספקת רעש גבוה יותר מאשר בשלב זהה.

המונחים: differentaturization and Layout Considerations

מסננים פעילים למכשירים לבישים חייבים להתאים ל- PCB קטן מאוד (למשל, 10 מ"מ × 10 מ"מ או פחות) רכיב כוחות זה קרוב לשרידים דיגיטליים רועשים, אספקת חשמל, ו משדרי RF. Capacitance Parasitic בין עקבות יכול לשנות את תגובת התדירות של מסנן, במיוחד עבור צ'יפס גבוה מחוספס גבוה, וצלב מפני מעברים סמוכים יכול להזריק לתוך מסננים דיגיטליים רבים, כולל מסלולים מתקדמים, אבל מקודמת תאים מגנטיים מגנטיים, כולל ציפוי מגנטיים מגנטיים מגנטיים מגנטיים אלקטרוניים, כולל מורכבות, אך ורקמות, כולל מורכבות גבוהה.

טווח דינמי ו Saturation

לסננים פעילים יש טווח דינמי סופי המוגדר על ידי מסילות אספקת החשמל של הדגה ומופעי פלט. חפצים גדולים תנועה או שינויים בסיס פתאומי יכול להניע את הפלט המסנן לתוך השכור, גרימת עיוותים לא לינאריים וזמן התאוששות.זה יכול להיות מופחת על ידי שליטה אוטומטית רווח (AGC) שלבים לפני המסנן, או על ידי תכנון מסנן עם מספיק חדר ראש.

כיוונים עתידיים וחדשנות

האבולוציה של מסננים פעילים במכשירים רפואיים עונדים קשורה קשר הדוק להתקדמות בטכנולוגיה של Semiconductor, חומרים ואלגוריתמי עיבוד אותות.

אולטרה-Low-Power Op-Amps ו- OTA-מבוסס עיצובים

עיצובים CMOS חדשים מאפשרים הדגימות של חומרים לפעול במתחי אספקה נמוך כמו 0.9 V עם זרמים קטנים מתחת 100 nA. Transconductance amplifiers (אנטים) עם מוליכים טוטליים מאפשרים מסננים בזמן מתמשך כי תדירות חיתוך שלהם יכול להיות מותאם על ידי זרם הטיה, ביטול הצורך עבור נוגדנים מדויקים.

Switched-Capacitor ו- Digital-Assisted Analog

מסנני קיבולת מרופדים מציעים תגובות תדר מדויקות, ניתנות לשעון באזור קטן.על ידי שילוב אותם באותו מוות כמו ADC ומיקרובקר, השעון של המסנן ניתן להסיק משעון המערכת, המאפשרת שחזור בזמן אמת. דיגיטל-אסד טכניקות אנלוגיות, כגון שימוש בלחמת רקע או כיב רקע לרכיב שלישי, יכול להגיע <0.1% דיוק ללא רכיבים מדויקים.

פילטרים ולמידה המבוססים על פילטרים

אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לנתח כעת את האות ואת התקני סינון דינמי (cutoff, Q, טופולוגיה) כדי למקסם את SNR בתנאים משתנים.לדוגמה, במהלך פעילות גופנית אינטנסיבית, ECG עשוי להתאים באופן דינמית את רצועת מסנן ה- tch כדי לעקוב אחר חפצים בתנועה, או לעבור לפילטר נמוך יותר להורדת רעש שרירים חזק יותר.

אלקטרוניקה גמישה ומדפסת

מכשירים לבישים נעים יותר ויותר לתתרמיות גמישות התואמים לגוף.כדי לאפשר לסננים פעילים על חומרים גמישים, החוקרים מפתחים טרנזיסטורים סרטניים דקים (TFTs) ומוליכים למחצה אורגניים שיכולים לתפקד כמגברים.בעוד שמרכיבים אלה כיום יש ביצועים נמוכים יותר מאשר CMOS (למשל, רעש גבוה יותר ורוחבבב הפס התחתון), הם מציעים את הפוטנציאל עבור חיישנים משולבים לחלוטין כי הם יכולים ישירות על גבי פילטרים רפואיים או פילטרים מוקדם על גבי פילטרים קצרים.

שילוב עם פילטרים ו-AI

הגבול בין אנלוגיה לסינון דיגיטלי הוא מטושטש.רבים מודרניים ללבוש SoCs לבצע ראשונית נגד הפליה עם מסנן פעיל נמוך פאס, ואז לנסח את האות וליישם מסננים דיגיטליים מורכבים יותר (למשל, FIR, IIR, גללט denoising) בתוכנה. פילטרים פעילים בתחום האנלוגי עדיין הכרחיים למניעת מפרשים וצמצום טווח הדינמיקה של דרישות אנלוגיות המבוססות על גבי ארכיטקטורת של רשתות קוסמיות.

מסקנה

מסננים פעילים הם חסימת בניין בסיסית בשרשרת האותות של מכשירים רפואיים בעלי ללבוש, המאפשרים את החילוץ של אותות נקיים ואמינים מבחינה אבחונית מסביבות רועשות, חפצים-פרון-תועלת-העצמיות שלהם לסינון סלקטיבי, להגדלת הסימון הביולוגי בתוך חבילה קומפקטית ויעילה כוח, רק כדי לשפר את ההשפעות התקני ניטור מותאמים אישית יותר.

לקריאה נוספת על תכנון סינון פעיל עבור יישומים ביו-רפואיים, ראה את הכתובת:0 (Analog מכשירים מדריך על מסננים פעילים עבור יישומים ביו-רפואיים FLT:1 ו-FLT:2Texas Instruments הערה על עיצוב מסנן בעל עוצמה נמוכה עבור לבישים FLT 3: עבור סקירה כללית של מקורות רעש ב- ECG לבישולים, מתייחס ל-F:4 זה סקירה על פריטים על רקע פיקוח ביולוגי על חומרים ניידים: