Sürekli, kalıcı olmayan işaretler ve fizyolojik sinyalleri kalp hızı, kan basıncı, oksijen dourasyon ve elektroenseogramlar gibi dönüştürerek sağlıklarını geri döndürür.Bu cihazlar klinik ortamlarda, uzaktan hasta izleme ve günlük sağlık takibinde kullanılır.Bu kompakt sistemlerde herhangi bir aşınmanın yardımı, seçici olarak kontrol edilen veya reddedilen sinyallerin doğruluğuna bağlıdır.Bu efekt, görüntüleyici bir şekilde, resim, güç-line müdahale ve temelsel olarak tüm hataların işlenmesine yol açabilir.

Signal Clarity'nin Giyimli Cihazların Önemi

Doğru sinyal algılaması, giyilebilir sensörlerden elde edilen herhangi bir tıbbi tanının temelidir. Klinik kararlar elektrokardiogramlara (ECG), fotoplethysmografi (PPG), veya elektromiyografi (EMG) gürültü kaynakları çok fazla değildir ve sapmalar ile değişebilir. Örneğin, ECG sinyalleri genellikle 0.05 Hz ile 100 Hz arasında değişir ve sadece 0,5 mV'ye kadar floreseli kablolamalar ve hareketlerden gelen sinyalleri ve hareketleri ilerleyebilir.

Doğru filtreleme olmadan, bu eserler, ham sensör çıktısını kirletir, kalp hızı değişkenliği için makul olmayan ölçümleri üretebilir, arrhythmia algılaması veya uyku yönlendirmesi. Sürekli izleme senaryosu, sinyal bozulmasının kısa dönemleri bile yanlış alarmları veya kritik olayları etkileyebilir. Aktif filtreler, bu zorlukların yanıtsız bir şekilde gerçek bir süre önce (SNR) dijital bir adıma ulaşırken, dijital sinyal işlemeye yardımcı olur.

Aktif Filtreler Nedir?

Aktif filtreler, operasyonel yükselteçleri (parçalar) pasif bileşenlerle birleştirir - direnççiler ve kapasitörler - bir sinyalin frekansı yanıtını şekillendirmek için.Sadece direnç gösterenler, kapasitörler ve indüktörler, aktif filtreler kazanır, yüksek bir giriş engelleyicisi sağlar - daha sonra filtreyi yönlendiren ve düşük çıktıları otomatik olarak indirmeye çalışır. Ayrıca, yüksek frekanslı takmak için gerekli olan gereksinimi ortadan kaldırırlar.

Aktif basit filtreler neredeyse herhangi bir filtre topolojiyi fark edebilir - Butterworth, Chebyshev, Bessel veya eliptik - her biri aynı anda farklı ticari-kapı ile kırılır, sık sık sık sık sık sık sık sık sık bozulmadan kaçınmak için tercih edilir. Biyomedikal sinyaller için, dalgalama morfolojisinin sağın sağın (örneğin, geçiş sırasında keskin bir sinyale ve keskin bir şekilde sabit olmayan bir şekilde geçiş için gerekli olan diğer tüm yüzeyler için daha belirgindir.

Giyilebilir Cihazlarda Kullanılan Aktif Filtre türleri

Low-Pass Filtreleri

Düşük frekanslı aktif filtreler, seçilen bir kesmenin altındaki frekansların daha yüksek frekansları takmasına izin verir.In wearable ECG monitorleri, 40 Hz ile 100 Hz arasında bir kesme filtresi ve yüksek frekanslı kas gürültüsü (EMG) ve herhangi bir canlı anahtar veya dijital devreden gelen gürültüyü ortadan kaldırır.Fort oximeters, sadece 5 Hz arasında bir kesme cihazı ve 10 Hz.

Yüksek Lisans Garantileri

Yüksek frekanslı aktif filtreler, düşük frekanslı bileşenleri keserek, kesmeden önce frekansları aşıyorlar. birincil kullanımı standarttır (standart olmayan cihazlara bağlı olarak), sabit veya elektrotlı polarizasyondan kaynaklanan sinyal tabandaki yavaş geçişler. yüksek frekanslı filtreler aynı zamanda EEG sistemlerinde yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş

Band-Pass Filtreleri

Band-pass filtreleri belirli bir frekans aralığına kadar düşük frekanslı bir frekans aralığının izole edilmesi için düşük geçit ve yüksek frekanslı sinyallerin yanı sıra, bilgi tanımlanmış bir gruptan 100 Hz'e kadar yoğunlaştığını gösteriyor. Band-pass filtreleri, yüksek frekanslı bir filtre olarak 0,5 Hz'den 40 Hz'a kadar filtre kullanıyor olabilir ve düşük frekanslı bir sinyalli kas sinyalini geri çevirerek özellikle yüksek frekanslı bir sinyalli ses çıkarır.

Notch Filtreleri

Notch (veya grup-stop) filtreler, sabit, özel frekans grubu kaldırmak için tasarlanmıştır, ancak spektrum geri kalanı büyük ölçüde etkilenmez.En yaygın uygulama giyilebilir tıbbi cihazlarda en yaygın uygulama, 50 Hz veya 60 Hz. En çok etkilenen kablolar ve sağ-sağ-leg devreleri kaldırmak için bile, geçici ve Wien-bridge, yüksek çözünürlükte bulunan bir sistemli bir filtreye sahiptir.

Aktif Filtrelerin Kullanılabilirlerinde Kullanımının Avantajları

Aktif filtreler bir giyilebilir tıbbi cihazda doğrudan daha iyi performans ve kullanıcı deneyimine çeviren birkaç somut avantaj sağlar.

  • [FONT:0) Geliştirilmiş Signal-to-Noise Oran (SNR): [Dönetici gürültüyü ortadan kaldırmak ve istenen sinyali basitleştirmek, SNR'yi dramatik bir şekilde geliştirmek, bu, ECG veya alfa ritmi baskısı gibi ince fizyolojik değişiklikler tespit eder.
  • [FONTNT=0)Compact Integration:[Dönetici:[Dönetici:0)CompactCompactComp-scale paketler (WLSCP) 1 mm2'den daha az ölçülebilen tek bir kombinasyonda, karşılaştırılabilir performans filtrelerinden daha az sayıda filtreyi işgal etmek için tüm filtre aşamasına izin verebilir.
  • [[Düzücük Güç Tüketimi: [Dönetici: [Dönetici:0) Gelişmiş CMOS op-amps, mevcut tedarik mikroamplarını mevcut tedarik eden ve biyomedikal frekanslar için yeterli miktarda ürün (tipik olarak 10 kHz ila 100 kHz) Operasyonel transkondüktör (OTA) tabanlı tasarımları, gerekli filtre yanıtlarına karşı önyargıyı azaltabilecek şekilde daha fazla azaltılabilir. Birçok filtreyi artık sonlu izleme modları ile entegre eder.
  • [FONT:0]Adaptability and Programmability:) Aktif filtreler, anahtarlama teknikleri kullanarak veya dijital kontrollü güçlü spektrometreler aracılığıyla direnç gösteren dirençli frekanslar kullanarak tasarlanabilir.Bu, tek bir cihaz farklı sinyal türlerine adapte olmasını sağlar (örneğin, ECG vs. EEG) Donanım değişiklikleri olmadan, çoklu-modal aşınmaya olanak sağlar.
  • [FONT:0)Buffering ve Sürüş Yetenek: Yüksek giriş, sensöre en az yüklemeyi sağlar, sinyal bütünlüğüne izin verir. Low çıktı engellenme, ADC girişi veya kablosuz verici aşamayı bozmadan sürücüye veya esnek devre izleriniz.

Aktif Filtrelemedeki Zorluklar

Birçok faydalarına rağmen, aktif filtreler, giyilebilir tasarımda dikkatli dikkat gerektiren mühendislik zorluklarının kendi setlerini tanıtmaktadır.

Güç Tüketimi vs. Performans

Bireysel af-amps çok düşük güç olsa da, yüksek sipariş filtresi, özellikle dördüncü sıra için koşan cihazlar için, düşük frekanslı filtre, iki ikinci sipariş aşaması (bir af-amp) tipik olarak çalışır. Birden fazla apara-ampiyon filtresi sürekli olarak bataryayı azaltabilir, özellikle birkaç saat veya hafta boyunca çalıştırmalıdır. Tasarımcılar, af-ampiyonel gürültüyü optimize etmelidirler, ancak dijital filtre yanıt için geçerli ve önyargılı olarak işlem yapar.

Bitirme Toler ve Sıcaklık Drift

Aktif bir filtrenin frekansı aynı oranda değişebilir.Sıcaklık aralığı 50 °C'ye bağlıdır, kapasitör değerleri birkaç yüz ppm /°C'ye kadar değişebilir, filtre özelliklerini değiştirir.Bu, tekrarlanabilir sinyal doğrulama gerektiren tıbbi uygulamalar için, genellikle hassas (<1%) direnç ve C0G /NP0 kapasitörler üzerinden, bu da analog bir sinyal doğrulama için bir yaklaşıma yol açabilir.

Aktif Bileşenlerin Gürültü

Op-amps'in seslerine katkıda bulunur - hem termal (Johnson) hem de kuru temas ECG elektrotlarından gelen gürültü, silikondan gelen gürültüyü, düşük gecikmeli, ultra-düşük-güçlü-küresel özellikleri, 10 nV / vizyonun altındaki gürültü gerilimi için önemli hale gelir.

Miniaturizasyon ve Layout

Akıllı cihazlar için aktif filtreler çok küçük PCBlere sığmalıdır (örneğin, 10 mm × 10 mm veya daha az). Bu güç bileşeni filtrelerini gürültülü dijital izlere, güç malzemelerine ve RF vericilere yakın yerleştirme. Parasitic kapasitance between traces can alter the filter's frequency response, especially for high-impedance nodes. Ground step to near switch agentss canjektif filtreye yakın bir şekilde enjekte edebilir. Bakımık zemin uçaklarla bakımlı sinyal yolları ve fiziksel ayrımı dijital domains önemli bir çok gelişmiş aşınma için.

Dinamik Aralığı ve Saturation

Aktif filtreler, filtrenin yeterli baş oda ile filtre tasarlamadan önce artırılmış dinamik bir aralığına sahiptir. Ancak, artan baş oda genellikle güç tüketimine yol açan bir filtrelemedir.Bu, sinyal seviyesinden yararlanan bir aktif araştırma alanıdır.

Future Yol ve İnovasyonlar

Kullanılabilir tıbbi cihazlardaki aktif filtrelerin evrimi yarı iletken teknoloji, malzemeler ve sinyal işleme algoritmalarında ilerlemelere yakından bağlıdır.

Ultra-Low-Power Op-Amps ve OTA-Based Designs

Yeni alttaki CMOS tasarımları, kesinti frekansının hassas dirençlere ihtiyaç duyduğu sürekli filtrelere izin veriyor. Bu devreler, vücut ısısına veya hareketine bağlı olarak enerji tasarrufu veya pilsiz aşınmaya bağlı olarak ideal.

Anahtarlandı-Kapacitor ve Digital-Assisted Analog Analog

Anahtarlı filtreler, küçük bir alanda kesin, saat ayarlanabilir frekans yanıtları sunar.Aynı şekilde ADC ve mikrokontroller olarak, filtrenin saatinden elde edilebilir, gerçek zamanlı yeniden yapılandırmasına izin verir. Digital-assisted analog teknikleri kullanarak, yanlış bileşenli bir bölmeyi kullanarak, <0.1%'in filtre doğruluğunu elde edebilir.

Adaptif ve Öğrenmeye Dayalı Filtreler

Makine öğrenme algoritmaları şimdi sinyal ve dinamik olarak ayarlanan filtre parametrelerini analiz edebilir (kesin, Q, topoloji) gibi değişken koşullar altında SNR'yi en üst düzeye çıkarmak için. Örneğin, yoğun fiziksel aktivite sırasında, giyilebilir bir ECG, hareket eserlerini takip etmek veya daha yüksek siparişlere geçiş yapmak için çok fazla filtre grubu analiz edebilir.

Esnek ve Baslı Elektronik

Giysilenebilir cihazlar vücuda uygun esnek substratlara giderek daha fazla hareket ediyorlar. Esnek malzemelerde aktif filtreler sağlamak için araştırmacılar doğrudan yamalara veya kıyafetlere basılmış olan ince film transistörleri (TFTs) ve organik yarı iletkenler için, bu bileşenler şu anda silikon CMOS'tan daha düşük performansa sahip olsa da, daha yüksek gürültü ve daha düşük bant genişliğine sahipler için potansiyel sunuyorlar.

Dijital Filtreler ve AI ile entegrasyon

Analog ve dijital filtreleme arasındaki sınır bulanıkdır. Birçok modern giyilebilir SoCs, basit bir düşük geçit filtresi ile ilk anti-aliasing gerçekleştiriyor, sonra sinyalin dijitalleştirilmesi ve daha karmaşık dijital filtreleri (örneğin, FIR, dalgalama denoising) yazılımda yeniden yapılandırabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Aktif filtreler, kompakt ve güç verimli bir pakette temel bir bina bloğudur, onları sürekli izleme uygulamaları ile ilgili sorunları, bileşen toleransları, gürültü ve entegrasyon, düşük güç analog devrelerinde devam eden yenilikleri, adaptif bir filtreleme ve esnek elektronik taahhüt eder, performanslarını artırmak için onları kaçınılmaz hale getirir.

Biyomedikal uygulamalar için aktif filtre tasarımı hakkında daha fazla okuma için, bkz.D:0)Analog Cihazlarının biyomedikal uygulamalar için aktif filtrelere kılavuzluk (Dönetici uygulamaları için ) ve [[Dönetici izleme[Texas Instruments'ın uygulama notu düşük güç filtresi tasarımı için kullanılabilir.).