Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Author:
Reading time: 8 minutes
Voor een ontwerpwedstrijd van Texas Instruments ontwikkelden Stijn Wielandt en Bart Thoen van de KU Leuven een polsband voor medisch personeel. Deze Tiagnose Watch meet met een zelfontwikkelde sensormodule in 1,25 seconden de vitale levensfuncties van een pasgeboren baby en wordt in vijf seconden opgeladen.
Elk jaar organiseert Texas Instruments de Europe Analog Design Contest, een wedstrijd voor teams van universiteiten om hedendaagse problemen op te lossen met componenten van de chipmaker. De belangstelling is groot: afgelopen jaar deden maar liefst 299 teams van 145 universiteiten mee. Als onderzoekers aan de KU Leuven vormden ook wij een team. Eind oktober hoorden we dat we uit al die inzendingen tot de finalisten behoorden, samen met twee teams uit Polen en een uit Duitsland.
Ons ontwerp richt zich op de medische wereld. In ziekenhuizen worden vandaag de dag allerhande draagbare elektronische meettoestellen gebruikt, zoals thermometers, bloeddrukmeters, glucosemeters, et cetera. Elk apparaat is uitgerust met batterijen of met een accu, en connectoren om deze op te laden.
Dat is eigenlijk een noodzakelijk kwaad, want er kleven vele nadelen aan. Batterijen van deze toestellen moeten regelmatig worden vervangen en bij accu’s moeten de apparaten worden geplaatst in laadstations die soms niet werken door vervuilde contacten. In ziekenhuisomgevingen kunnen dan gevaarlijke situaties ontstaan, want het kan betekenen dat een meting niet snel genoeg kan worden uitgevoerd. Bovendien kunnen de toestellen niet worden gesteriliseerd door de aanwezigheid van connectoren en batterijklepjes, wat weer infectiegevaar met zich meebrengt.
Wij wilden dit probleem oplossen door een volledig draadloos meettoestel te ontwerpen; niet alleen communicatie, maar ook het opladen moest zonder externe contacten gebeuren. Op deze manier kan het volledig waterdicht worden gemaakt en is het dus ook steriliseerbaar.
Bovendien wilden we af van de lange laadtijden. Wanneer een zorgverlener aan zijn shift begint, moet het toestel in enkele seconden klaar zijn voor gebruik. Ook bijladen mag niet als een ongemak worden beschouwd. Daarom kozen we geen batterij als energiebuffer, maar een supercondensator. Deze garandeert een laadtijd van enkele seconden; een kleine tik tegen een laadcircuit in de muur volstaat. Bovendien biedt deze oplossing een langere levensduur dan batterijen.
Ook qua functionaliteit wilden we er nog een schepje bovenop doen. Huidige meettoestellen meten doorgaans een enkele levensfunctie, maar wij wilden een apparaat dat in één keer alle belangrijkste parameters van een patiënt bepaalt. Tijdens het uitwerken van het concept zagen we mogelijkheden om drie verschillende sensoren zodanig te miniaturiseren dat ze samen in een enkele polsband kunnen worden geplaatst.
Stap verder
Het geheel maakt enkel gebruik van TI-chips, zeventien stuks om precies te zijn (zie tabel). Het ontwerp kan worden opgesplitst in verschillende analoge en digitale blokken, verdeeld over zeven printplaten. De voeding is natuurlijk een speerpunt van het ontwerp, en een van de analoge blokken is dan ook gewijd aan het voedingscircuit. Dit is op een enkele zijde van een printplaat van 3,5 bij 4 centimeter gebouwd.
Wat echter vooral in het oog springt, is de spoel aan de andere kant van het bordje. Deze is gekoppeld met een TI-ic voor de Qi-standaard, een specificatie voor draadloze energieoverdracht in inductief gekoppelde systemen. Deze technologie werd de voorbije jaren reeds in talloze elektronische apparaten geïntroduceerd, waaronder smartphones.
Bestaande smartwatches met draadloze laadtechnologie (zoals de Apple Watch) moeten worden afgedaan om op te laden, aangezien de ontvanger aan de achterkant van het horloge zit. Wij zijn een stap verder gegaan door de spoel achter het display te plaatsen. Het praktisch nut voor de gebruiker ligt erin dat de polsband kan worden opgeladen terwijl hij wordt gedragen. We toonden aan dat deze vernieuwende oplossing nog steeds voldoet aan de strenge normen van de Qi-standaard wanneer de energie door het display in plaats van de plastic behuizing wordt gestuurd.
Naast het draadloze-energiecircuit bestaat de voeding uit een relatief grote supercondensator, een exemplaar van 3 farad bij 2,7 volt. Dat komt neer op meer dan tien joules aan toegankelijke energie. Een energiestudie wees uit dat dit voldoende zou zijn voor 38 metingen of meer dan drie dagen stand-bytijd.
De condensator wordt opgeladen via een conditioneringschip die speciaal voor deze toepassing is ontworpen. Dankzij dit ic is er een constante laadstroom en kan de condensator worden opgeladen in minder dan vijf seconden. Een sterke prestatie zo blijkt, want zonder dit ic zou het laden meer dan een halve minuut in beslag nemen.
Een nadeel van de supercondensator is dat de spanning sterk daalt naarmate de lading afneemt. Daarom gebruiken we een boostconverter-ic dat de variabele condensatorspanning omzet naar vijf volt. Deze spanning wordt dan weer verder omgevormd tot 3,3 volt, de werkspanning van enkele chips zoals de microcontroller. Ook is er een 20 mA-stroombron voor de aansturing van de optische sensoren.
Vinger of oorlel
Het volgende analoge blok is te vinden op de sensormodule. Deze is uitgerust met drie sensoren waarmee tegelijkertijd temperatuur, zuurstofsaturatie en bilirubinegehalte (geelzucht) worden gemeten. Dit zijn de vitale lichaamsparameters die bij pasgeboren baby’s zeer frequent worden gecontroleerd. Dat kan nu vooreerst in een enkele beweging. De zorgverlener hoeft alleen de polsband een seconde lang tegen de huid van het patiëntje te drukken. Daardoor wordt een schakelaartje ingeduwd, wat de sensoren activeert en een meting in gang zet.
De lichaamstemperatuur wordt opgemeten met een infraroodsensor van Texas Instruments om op afstand de temperatuur van een object te meten. In de ontwerpfase werd echter snel duidelijk dat de sensor in deze toepassing niet functioneerde zoals verwacht. De temperatuur wordt namelijk berekend uit het invallende infrarode licht en een zeer nauwkeurige meting van de chiptemperatuur. Maar aangezien de sensor zeer dicht tegen de huid wordt gehouden tijdens een meting, varieert zijn eigen temperatuur snel en worden de berekende waarden onbruikbaar.
Daarom besloten we om de sensor op een onconventionele manier te gebruiken. Hij is nu zo gemonteerd dat hij voor een temperatuurmeting tegen de huid wordt gedrukt. Het verloop van de chiptemperatuur wordt gedurende 1,25 seconden zeer precies gemonitord. Met een accuraat temperatuurmodel van het lichaam en het meetsysteem kan er dan een schatting van de lichaamstemperatuur worden gemaakt tot op 0,15 graden Celsius nauwkeurig.
Voor het meten van de zuurstofsaturatie ontwikkelden we een vernieuwde pulsoximetrietechniek. Traditioneel wordt bij deze techniek in korte tijd een groot aantal rode en infrarode lichtpulsen door de huid geschenen. Aangezien zuurstofrijk bloed veel infrarood licht absorbeert en zuurstofarm bloed eerder rood licht, zal een meting van de lichtabsorptie resulteren in een waarde voor de zuurstofsaturatie.
Bij klassieke pulsoximeters schijnt het licht door een lichaamsdeel zoals een vinger of oorlel heen en wordt het aan de andere kant opgevangen met een fotoreceptor. Wij wilden echter een gebruiksvriendelijkere manier en bedachten een sensor die zowel de lichtbron als de fotoreceptor behuist. Deze sensor meet dan niet de absorptie van het licht dat door het lichaamsdeel schijnt, maar eerder de absorptie van het licht dat een indirect pad vormt in de onderhuidse weefsels. Een gevolg hiervan is dat gewerkt moet worden met veel zwakkere lichtsignalen. Daarom gebruiken we leds met uiterst grote lichtopbrengst, zeer gevoelige fotodetectoren en een opamp van Texas Instruments die de outputsignalen voldoende versterkt.
De bilirubineniveaus worden op een gelijkaardige manier gemeten, alleen niet met een combinatie van rood en infrarood licht maar met blauw en groen. Hiermee kan het specifieke spectrale patroon van bilirubine worden gemeten. Deze methode is niet alleen relatief energiezuinig maar ook relatief goedkoop en compact in vergelijking met de bestaande systemen, die zijn gebaseerd op een xenonlamp.
Slaapstand
Naast de analoge systemen bevat de polsband ook een uitgebreid digitaal netwerk, waarvan een fram-gebaseerde microcontroller het hart vormt. Ferro-elektrisch ram heeft als voornaamste eigenschap een laag energieverbruik, wat in deze toepassing van uiterst belang is. De microcontroller is verbonden met alle elementen van het apparaat. Hij stuurt zelfs het voedingscircuit aan om het stroomverbruik tot een minimum te beperken. De temperatuursensor is via een i2c-bus aangesloten en de andere sensoren worden via opamps verbonden met de 12 bit adc’s.
De resultaten van een meting worden via een spi-bus naar een display gestuurd. Hier kozen we een Sharp Memory LCD-module. Dit dotmatrixdisplay combineert het zeer lage energieverbruik van e-paperschermen met de hoge verversingsfrequentie van lcd-displays.
Voor contact met de buitenwereld is er via een spi-bus een module met een draadloze-communicatiechip aangesloten op de microcontroller. Dankzij deze interface kunnen meetgegevens worden doorgestuurd naar een centrale computer. Door elke kamer of elk bed uit te rusten met een draadloze ontvanger kan automatisch worden bepaald bij welke patiënt de meting hoort.
De software is geschreven in C met TI’s Code Composer Studio, dat de nodige bibliotheken voor zijn microcontrollers bevat. Wanneer het schakelaartje wordt ingedrukt, begint de software eerst met het initialiseren van de microcontroller en zijn randapparaten. Daarna worden achtereenvolgens de sensoren uitgelezen, de meetgegevens verwerkt, de toestand van de supercondensator gemeten, de waardes weergegeven op het display en via de draadloze interface doorgestuurd.
Om het verbruik tot een minimum te beperken, worden functies uitgeschakeld zodra dat mogelijk is in de loop van het programma. Nadat de waardes naar het display zijn gestuurd, zet de microcontroller zichzelf gedurende tien seconden in slaapstand. Daarna schakelt hij het systeem als geheel uit.
| 8x CSD13202Q2 | N-kanaals mosfet, gebruikt in het supercondensatorlaadcircuit en de sturing van de voeding en de sensoren |
| BQ51013B | Qi-compatibele ontvanger voor draadloze vermogenoverdracht |
| BQ24640 | Lader voor de supercondensator |
| TLV61220 | Boostconverter die vijf volt genereert |
| LP2981-33 | Lineaire spanningsregelaar die 3,3 volt genereert |
| TLV71310P | Spanningsregelaar die een stroombron van 20 mA genereert voor de optische sensoren |
| LMV344 | Quad-opamp voor het versterken van sensorsignalen |
| MSP430FR5969 | Fram-microcontroller |
| CC110L | Chip voor draadloze communicatie in de 868 MHz-band |
| TMP006 | Temperatuursensor |
Indrukwekkende delegatie
Een commerciële uitwerking van het product zit er nog niet direct aan te komen, maar behoort tot de mogelijkheden indien er bedrijven interesse voor tonen. Het apparaatje, dat we de ‘Tiagnose Watch’ hebben gedoopt, vormt echter vooral een mooi proof-of-concept dat op een unieke manier de voordelen en het gebruiksgemak illustreert van het draadloos opladen van een supercondensator. De ontwikkelde meetmethodes blijken dan weer snel, gebruiksvriendelijk en goedkoop te zijn. En alles past in 3,5 bij 4 bij 1,4 centimeter – uiteraard gaat het nog maar over een prototype en zijn er uitgebreide kansen voor verdere miniaturisatie.
Zo kon het dus gebeuren dat we in november naar de Electronica-beurs in München trokken om in de finale ten overstaan van een indrukwekkende delegatie van Texas Instruments en Mouser Electronics te strijden om de eerste plek – de derde keer op rij dat de KU Leuven in de finale stond overigens. Nadat de finalisten hun projecten hadden voorgesteld met presentaties en bijbehorende filmpjes, was het aan Mouser-ceo Glenn Smith en Mark Burr-Lonnon, TI’s vicepresident voor Azië en Europa, om de hoofdprijs van tienduizend dollar te overhandigen aan de winnaars. Een prijs die we met plezier in ontvangst namen.
