04 — Biomedicīnas inženierija
Bioloģija, elektronika, skaitļošana
Pilns vitālo rādītāju instruments, aptuveni naga lielumā.
Biomedicīnisko sensoru projektēšana un signāla apstrāde medicīniskai lietošanai, iebūvēta modulī tuvu 1,5 reiz 1,5 cm — tā paša mikrodators, MEMS sensoru masīvs un viss bezvadu, nolasot sirdsdarbības frekvenci, temperatūru un SpO2.
Biomedicīnas inženierija man atrodas bioloģijas, elektronikas un skaitļošanas krustpunktā — trīs jomas, kurām jāvienojas, pirms mērījums kaut ko nozīmē.
Darbs ir biomedicīnisko sensoru projektēšana un signāla apstrāde medicīniskiem pielietojumiem: ķermeņa signāla pārvēršana skaitlī, kam klīnicists uzticētos, un tā darīšana uz aparatūras, kas pietiekami maza, lai dzīvotu uz ķermeņa, nevis tam līdzās. Bioloģija izlemj, ko ir vērts mērīt, elektronika izlemj, kā to uztvert, un skaitļošana izlemj, ko uztvertais patiešām nozīmē.
Pavediens, kas iet caur visu šo, ir viedas ierīces monitoringam un iejaukšanās — ierīces, kas ne tikai uztver, bet var rīkoties uz to, ko tās nolasa. Skaidrākais tā izpausme ir biomedicīnisks mikročips: pilns vitālo rādītāju modulis tuvu 1,5 reiz 1,5 cm, kas nolasa sirdsdarbības frekvenci, temperatūru un SpO2, apstrādā tos savā paša mikrodatorā un ziņo pa bezvadu savienojumu.
Es būvēju uz Nordic, Texas Instruments un Maxim Integrated platformām, un tas pats instinkts pārceļas mikrorobotikā, pielietotā biomedicīniskām sistēmām — pāreja no ierīces, kas ziņo, uz tādu, kas var pozicionēt un rīkoties mazā mērogā.
pilnā vitālo rādītāju moduļa malas garums — vesels instruments aptuveni 1,5 reiz 1,5 cm ietvaros
vienlaikus nolasītie vitālie rādītāji: sirdsdarbības frekvence, temperatūra un SpO2, asins skābekļa piesātinājums
MEMS sensora kristāla izmēra klase — mikroelektromehāniska uztveršana tajā pašā platē, kur procesors
ārējie savienotāji — modulis lādējas indukcijā un runā pa Bluetooth Low Energy
Viss, kas instrumentam nepieciešams, uz 1,5 cm plates.
Pilns vitālo rādītāju modulis
Mikrodators, sensoru masīvs, radio, baterija un tā paša lādētājs — viss aptuveni 1,5 reiz 1,5 cm.
Biomedicīniskais mikročips, uz kuru es strādāju, nav viens sensors — tas ir pilns modulis 1,5 reiz 1,5 cm kārtas ar savu paša mikrodatoru, MEMS sensoru masīvu, signāla koncentratoru, algoritmu procesoru, Bluetooth antenu, mikro LiPo bateriju un bezvadu uzlādi.
Katrs no šiem blokiem parasti būtu sava plate. Darbs ir to ievietošana vienā pēdas nospiedumā tā, lai analogie posmi, radio un procesors viens otru netraucētu — iepakojuma un integrācijas problēma tikpat lielā mērā kā elektronikas.
- Mikrodators modulī
- MEMS sensoru masīvs
- Signāla koncentrators + algoritmu procesors
- Bluetooth antena, mikro LiPo baterija, bezvadu uzlāde
Vitālo rādītāju modulis — bloku inventārs
- Formas faktors
- Pilns modulis, ~1,5 × 1,5 cm
- Mikrodators
- MCU modulī — tā paša skaitļošana, nevis saimnieks
- Sensoru masīvs
- MEMS masīvs, ~1 mm² klases kristāli
- Signāla koncentrators
- Priekšgals, kas savāc un sagatavo sensoru plūsmas
- Algoritmu procesors
- SF · temperatūras · SpO2 apstrāde modulī
- Radio
- Bluetooth antena — Bluetooth Low Energy savienojums
- Barošana
- Mikro LiPo baterija
- Uzlāde
- Bezvadu, induktīva spole — bez savienotāja
- Platformas
- Nordic · Texas Instruments · Maxim Integrated
Bloki, kas to padara par instrumentu, nevis sensoru.
Pieci funkcionālie bloki dala vienu plati. Katra cilne ir viens no tiem — ko tas dara un kāpēc tas pelna vietu, ko tas aizņem tik mazā pēdas nospiedumā.
Tā paša skaitļošana, modulī
Modulis nes savu paša mikrodatoru, nevis ir atkarīgs no tālruņa vai bāzes stacijas, lai domātu tā vietā. Tas nozīmē, ka paraugošana, laika noteikšana un signāla apstrādes pirmais piegājiens visi notiek pašā platē, kur ir sensori.
Skaitļošanas turēšana lokāla tur radio klusu. Modulis var nolasīt, apstrādāt un izlemt, ko ir vērts pārraidīt, nevis straumēt neapstrādātus paraugus un izlādēt bateriju antenā.
- MCU modulī — nevis piesaistīta perifērija
- Paraugošana un laika noteikšana apstrādāta lokāli
- Pirmā piegājiena apstrāde, pirms kaut kas tiek nosūtīts
Mikroelektromehāniska uztveršana
Uztveršana ir MEMS masīvs — mikroelektromehāniskas struktūras, izgatavotas aptuveni kvadrātmilimetra mērogā, tajā pašā platē, kur procesors. MEMS ir tas, kas ļauj temperatūras elementam, optiskajam priekšgalam un kustības atsaucei dalīt tik mazu pēdas nospiedumu.
Masīva novietošana līdzās procesoram saīsina katru analogo ceļu. Signāls tiek digitalizēts tuvu vietai, kur tas dzimst, pirms troksnim ir vieta uzkrāties.
- MEMS kristāli 1 mm² kārtas
- Novietoti kopā ar procesoru vienā platē
- Īsi analogie ceļi, agrīna digitalizācija
Plūsmu savākšana vienā vietā
Trīs vitālie rādītāji ierodas uz atšķirīgiem fizikāliem principiem — optiski, termiski, elektriski. Signāla koncentrators ir priekšgals, kas savāc šīs atsevišķās plūsmas, tās sagatavo un nodod algoritmu procesoram kā saskaņotu kopu.
Tā ir daļa, kas pārvērš trīs sensorus vienā mērīšanas notikumā, laikā saskaņotā, lai sirdsdarbības frekvences, temperatūras un SpO2 nolasījumi aprakstītu to pašu mirkli, nevis trīs dreifējošus pulksteņus.
- Sagatavo optiskos, termiskos un elektriskos ievadus
- Laikā saskaņo trīs plūsmas
- Padod vienu saskaņotu kopu procesoram
Signālu pārvēršana vitālajos rādītājos
Algoritmu procesors ir vieta, kur sagatavotie signāli kļūst par skaitļiem, ko klīnicists atpazītu. Sirdsdarbības frekvence iznāk no optiskā pulsa, SpO2 no attiecības starp divām optiskām viļņu garumiem, un temperatūra no termiskā elementa.
To darīt modulī nozīmē, ka ierīce ziņo vitālos rādītājus, nevis viļņu formas. Apstrāde, kas parasti dzīvotu lietotnē vai mākoņpakalpojumā, darbojas avotā.
- Sirdsdarbības frekvence no optiskā pulsa
- SpO2 no divu viļņu garumu attiecības
- Temperatūra no termiskā elementa
Bluetooth ārā, indukcija iekšā
Modulis runā pa Bluetooth Low Energy caur platē iebūvētu antenu un darbojas ar mikro LiPo bateriju. Nav ne datu kabeļa, ne barošanas kabeļa.
Uzlāde ir bezvadu — induktīva spole pārņem enerģiju pāri spraugai, lai korpuss varētu palikt hermētisks. Nekas ierīcē neprasa to atvērt vai pieslēgt.
- Bluetooth Low Energy savienojums, platē iebūvēta antena
- Mikro LiPo baterija
- Induktīva bezvadu uzlāde — hermētisks korpuss
No ķermeņa signāla līdz skaitlim, vienā piegājienā.
Trīs vitālie rādītāji veic to pašu ceļu modulī: uztverti ar MEMS masīvu, savākti ar signāla koncentratoru, apstrādāti ar modulī esošo mikrodatoru un algoritmu procesoru un nosūtīti pa Bluetooth Low Energy uz sapārotu lietotni. Diagramma izseko šo ceļu; procesa plūsma nosauc katru posmu.
Tas, kas atstāj moduli, ir rezultāts, nevis neapstrādātā viļņu forma. Nolasīšana un apstrāde notiek avotā, tāpēc radio nes vitālos rādītājus — sirdsdarbības frekvenci, temperatūru, SpO2 — nevis paraugu plūsmu.
Vitālo rādītāju signāla ķēde
Trīs signāli iekšā, trīs skaitļi ārā.
Sirdsdarbības frekvence, temperatūra un SpO2 katra sākas uz atšķirīga fizikāla principa — optiska, termiska, optiski ratiometriska — un ķēde tās atved uz vienu laika līniju. MEMS masīvs uztver, koncentrators sagatavo un saskaņo, un procesors atrisina katru plūsmu vērtībā.
Visa šī turēšana modulī ir būtība. Ierīce, kas pieskaras ķermenim, ir arī ierīce, kas veic domāšanu.
- SF no optiskā pulsa
- Temperatūra no termiskā elementa
- SpO2 no divu viļņu garumu attiecības
Vitālo rādītāju ķēde — no sensora līdz lietotnei
- 01 MEMS masīvs Optiskie, termiskie un elektriskie priekšgali uztver ķermeni aptuveni kvadrātmilimetra mērogā.
- 02 Signāla koncentrators Trīs plūsmas tiek savāktas, sagatavotas un laikā saskaņotas vienā notikumā.
- 03 MCU Modulī esošais mikrodators paraugo, takte un izpilda apstrādes pirmo piegājienu.
- 04 Algoritmu procesors Sagatavotie signāli kļūst par vitālajiem rādītājiem: sirdsdarbības frekvence, temperatūra, SpO2.
- 05 BLE Tikai rezultāti, nevis neapstrādātās viļņu formas, atstāj moduli pa Bluetooth Low Energy.
- 06 Lietotne Sapārota lietotne saņem vitālos rādītājus; modulis turpina darboties uz savas paša skaitļošanas.
Sensors, MCU, BLE, lietotne — datu ceļš izzīmēts.
Datu ceļš
Modulis uztver, izlemj un nosūta tikai to, kam ir nozīme.
Ceļš no sensora līdz lietotnei ir īss un apzināts. MEMS masīvs baro MCU; MCU apstrādā modulī; rezultāts iziet pa Bluetooth Low Energy uz sapārotu lietotni. Neapstrādātie paraugi nekad neaiziet.
Šī secība padara ierīci praktisku valkāšanai. Modulis, kas straumētu katru paraugu, izlādētu savu mikro LiPo bateriju radio; tāds, kas izlemj lokāli, var darboties uz tās.
- Sensors → MCU → BLE → lietotne, šādā secībā
- Apstrāde notiek pirms pārraides
- Tikai rezultāti šķērso radio, nevis neapstrādātie paraugi
Modulis, kas izlemj, ko ir vērts sūtīt, var dzīvot uz mikrobaterijas; tāds, kas straumē visu, nevar. Radio ir visdārgākā lieta uz plates.
Sirdsdarbības frekvence, temperatūra, SpO2 — katrs nopelnīts atšķirīgi.
Trīs vitālie rādītāji netiek nolasīti vienādi. Sirdsdarbības frekvence un SpO2 ir optiski un dala priekšgalu; temperatūra ir termiska un stāv atsevišķi. Visu trīs nolasīšana uz viena maza moduļa nozīmē, ka katrs signāls jāatgūst tīri, citiem netraucējot.
Katra cilne zemāk ir viens signāls: no kurienes tas nāk un signāla apstrādes daļa, kas patiešām izlemj, vai skaitlis ir uzticams.
Sitienu skaitīšana no gaismas
Sirdsdarbības frekvence tiek nolasīta optiski. Gaisma tiek nosūtīta audos, un daļa, kas atgriežas, tiek modulēta ar asins pulsu pie katra sitiena; šī periodiskā signāla atgūšana un tā virsotņu skaitīšana dod frekvenci.
Grūtais nav optika, tas ir noraidījums — kustība un apkārtējā gaisma izskatās ļoti līdzīgi pulsam. Signāla ķēde ir veidota, lai atdalītu reālo periodiskumu no visa, kas to atdarina.
- Optiskā pulsa modulācija kā avots
- Virsotņu noteikšana periodiskā signālā
- Kustība un apkārtējā gaisma noraidīta, nevis vidējota prom
Termisks elements, nolasīts stabili
Temperatūra nāk no termiskā elementa MEMS masīvā. Pats mērījums ir vienkāršs; disciplīna ir tā atsaukšanā, lai nolasījums atspoguļotu ķermeni, nevis blakus esošās elektronikas pašsasilšanu.
Tik mazā modulī procesors atrodas milimetru attālumā no sensora, tāpēc termiskais izvietojums ir mērījuma daļa, nevis pēcdoma.
- Termisks elements MEMS masīvā
- Atsaukts pret platē esošo pašsasilšanu
- Termiskais izvietojums izturēts kā specifikācijas daļa
Skābeklis no viļņu garumu attiecības
SpO2 — asins skābekļa piesātinājums — tiek atgūts no atšķirīgajiem veidiem, kā oksigenēts un deoksigenēts hemoglobīns absorbē divus optiskos viļņu garumus. Divu pulsējošo signālu attiecība kartējas uz piesātinājuma procentu.
Tas dala optisko priekšgalu ar sirdsdarbības frekvenci, kas daļēji ir iemesls, kāpēc viens mazs modulis var ziņot abus: tas pats gaismas ceļš nes divus mērījumus, kad viļņu garumi ir atdalīti.
- Divu viļņu garumu optiskā absorbcija
- Pulsējošo signālu attiecība → piesātinājuma %
- Dala optisko priekšgalu ar sirdsdarbības frekvenci
Uzlāde pāri spraugai, lai nekas nebūtu jāatver.
Induktīva bezvadu uzlāde
Spole katrā pusē, enerģija pāri spraugai.
Modulis lādējas indukcijā. Spole lādētājā darbina maiņstrāvas lauku; spole modulī to uztver un taisngriež atpakaļ lādiņā mikro LiPo baterijai. Bez kontaktiem, bez savienotāja, nekā, kas korodētu.
Uz ķermeņa valkājamā ierīcē tas nozīmē vairāk nekā ērtību: hermētisks korpuss bez uzlādes porta ir vieglāk tīrāms un saglabājams neskarts. Tā pati loģika, kas radio ielika platē, lādētāju ielika ārpus tās.
- Dzinēja spole lādētājā, uztveršanas spole modulī
- Taisngriezta, lai uzlādētu mikro LiPo bateriju
- Bez kontaktiem — korpuss paliek hermētisks
Kur aiziet 1,5 cm — modulis, izvērsts.
Mikrodatora, MEMS masīva, signāla koncentratora, algoritmu procesora, Bluetooth antenas, mikro LiPo baterijas un uzlādes spoles ievietošana 1,5 reiz 1,5 cm ir kraušanas problēma. Bloki kārtojas slāņos, nevis sēž blakus, un slāņu secība tiek izvēlēta tā, lai analogie posmi paliktu tālu no radio.
Izvērstais skats zemāk izstiepj šos slāņus. Uzbūvētajā modulī tie sabrūk vienā pēdas nospiedumā; daļas, kurām jābūt klusām, sēž vistālāk no antenas, un spole un baterija ieņem aizmuguri, kur tās neko kritisku neekranē.
~1,5 × 1,5 cm, izvērsts
Slāņi izvēlēti tā, lai antena nesaindētu analogo.
Lasot no augšas uz leju, krāvums ir: MEMS sensoru masīvs, vērsts pret ķermeni, signāla koncentrators un algoritmu procesors ar MCU, Bluetooth antena un mikro LiPo baterija ar uzlādes spoli aizmugurē.
Radio novietošana starp procesoru un barošanas slāni tur jutīgo priekšgalu un antenu šķirtus. Tik mazā pēdas nospiedumā šis novietojums ir starpība starp tīru un trokšņainu nolasījumu.
- MEMS masīvs vērsts pret ķermeni
- Koncentrators, algoritmu procesors un MCU kopā
- Bluetooth antenas slānis
- Mikro LiPo baterija + uzlādes spole aizmugurē
Platformas — daļas aiz moduļa
- Nordic
- Bluetooth Low Energy SoC un radio steks
- Texas Instruments
- Jauktā signāla priekšgali un zema patēriņa MCU
- Maxim Integrated
- Biopotenciāla un optiskie analogie priekšgali
- Integrācijas mērķis
- Viens modulis, ~1,5 × 1,5 cm
- Savienojums
- Bluetooth Low Energy
- Barošanas ieeja
- Induktīva bezvadu uzlāde
No ierīces, kas nolasa, uz sistēmu, kas rīkojas.
Monitors ir pirmais solis. Mērķis ir viedas ierīces monitoringam un iejaukšanās — un, tālāk par to, mikrorobotika, pielietota biomedicīniskām sistēmām.
Vitālo rādītāju modulis, kas nolasa sirdsdarbības frekvenci, temperatūru un SpO2, ir monitoringa ierīce. Interesantākā darba līnija ir iejaukšanās: ierīces, kas var rīkoties uz to, ko tās nolasa, tajā pašā mazajā mērogā, kur notiek uztveršana.
Mikrorobotika, pielietota biomedicīniskām sistēmām, ir vieta, kur bioloģija, elektronika un skaitļošana satiekas atkal — sistēma, kas ne tikai ziņo mērījumu, bet var pozicionēt un rīkoties uz tā. Modulis ir šīs ainas uztveršanas puse; izpildmehānisma puse ir darbs, ko uztveršana padara iespējamu.
Biomedicīnisko sensoru projektēšana
Projektēt priekšgalus, kas pārvērš ķermeņa signālu — optisku, termisku, elektrisku — kaut kā, ko algoritms var nolasīt, mērogā, kur sensors ietilpst tajā pašā platē, kur procesors.
Signāla apstrāde medicīniskai lietošanai
Atgūt sirdsdarbības frekvenci, temperatūru un SpO2 no trokšņainiem ievadiem, ar kustības un apkārtējās interferences noraidījumu, nevis aklu vidējošanu.
Viedās monitoringa ierīces
Ierīces, kas nepārtraukti uzrauga un var rīkoties uz to, ko tās nolasa — solis no sensora, kas ziņo, uz ierīci, kas iejaucas.
Biomedicīniskie mikročipi
Pilni vitālo rādītāju moduļi tuvu 1,5 reiz 1,5 cm ar savu paša mikrodatoru, MEMS masīvu, signāla koncentratoru, algoritmu procesoru, radio, bateriju un bezvadu uzlādi.
Mikrorobotika biomedicīniskām sistēmām
Mikrorobotika, pielietota biomedicīniskām sistēmām — pāreja no moduļa, kas uztver, uz sistēmu, kas var pozicionēt un rīkoties mazā mērogā.
Platformu integrācija
Būvēt uz Nordic, Texas Instruments un Maxim Integrated daļām, lai radio, jauktā signāla priekšgali un analogie posmi katrs nāktu no tiem piemērotas platformas.
Principi zem moduļa.
Signāli mainās un platformas mainās, bet noteikumi aiz darba nē.
Šie ir principi, ko es pielietoju neatkarīgi no tā, vai mērķis ir sirdsdarbības frekvences priekšgals, pilns vitālo rādītāju modulis vai solis uz mikrorobotiku, pielietotu biomedicīniskām sistēmām — daļa, kas tur inženieriju atkārtojamu, nevis nejaušu.
Uztvert avotā
Novietot MEMS masīvu tajā pašā platē, kur procesors, lai signāls tiktu digitalizēts tuvu vietai, kur tas dzimst, pirms troksnis uzkrājas.
Apstrādāt modulī
Ziņot vitālos rādītājus, nevis viļņu formas. Lokālā skaitļošana tur radio klusu un bateriju dzīvu.
Noraidīt, nevis vidējot
Kustība un apkārtējā gaisma atdarina pulsu; ķēde ir veidota, lai atdalītu reālo signālu no tā, kas to imitē.
Hermetizēt korpusu
Bezvadu uzlāde un bezvadu savienojums nozīmē bez savienotājiem — nekas ierīcē neprasa to atvērt vai pieslēgt.
Pieskaņot daļu posmam
Nordic radio, TI jauktajam signālam un MCU, Maxim analogajiem priekšgaliem — pareizā platforma katram uzdevumam.
No uztveršanas uz iejaukšanos
Monitors ir sākums. Mikrorobotika, pielietota biomedicīniskām sistēmām, ir ceļš no ierīces, kas nolasa, uz tādu, kas rīkojas.
Uztvert avotā, apstrādāt modulī un sūtīt tikai to, kam ir nozīme — viss pārējais ir iepakojums ap šiem trim lēmumiem.
Open to the right work
Ja jūsu problēma sākas uz ķermeņa un beidzas ar skaitli, kam varat uzticēties, tas ir darbs, ko es gribu.
If you are holding a problem that doesn't fit inside one field, that is the conversation I want.