Ning Jia, Analog Devices
בשנים האחרונות, שיפורים בטכנולוגיה האלקטרונית אפשרו חידושים ושיפורים רבים בתעשיית הרפואה. האתגרים עמם צריך להתמודד בציוד רפואי כוללים פיתוח שיטות אבחון וטיפול חדשות, ניטור מרחוק והתקנים רפואיים ביתיים, שיפור האיכות והאמינות ושיפור הגמישות וקלות השימוש.
מזה למעלה מ-40 שנים, הפורטפוליו המקיף של AnalogDevices עם טכנולוגיות לינאריות, אותות מעורבים, MEMS ועיבוד אותות דיגיטלי, איפשר להשיג שינוי בהתקנים רפואיים כמו למשל מכשור, הדמיה וניטור חולים. מאמר זה מתמקד בטכנולוגית ממיר קיבול לדיגיטל (CDC), המאפשרת להשתמש בחישת קיבול ברמת ביצועים גבוהה ביישומים רפואיים.
בקר חישת מגע קיבולי – שיטת קלט משתמש חדשה
חיישן מגע קיבולי מספק ממשק משתמש בצורת לחצן, פס מחוון, גלגל גלילה, או צורה אחרת בדומה לדוגמאות המוצגות באיור 1.
כל אזור גיאומטרי אדום מייצג אלקטרודת חיישן בלוח המעגל המודפס (PCB) המהווה לוח אחד של קבל וירטואלי. הלוח השני נוצר על ידי אצבע המשתמש, שהיא בהכרח מוארקת ביחס לכניסת החיישן. משפחת הבקרים ™AD7147/AD7148CapTouch, המיועדת לפעול ולהתמשק עם חיישני מגע קיבוליים, מודדת שינויים בקיבול על ידי חיישנים בעלי אלקטרודה אחת. ההתקן מוציא תחילה אות עירור כדי לטעון את לוח הקבל. כאשר אובייקט, כמו למשל אצבע המשתמש, מתקרב לחיישן, נוצר הקבל הוירטואלי, כשהמשתמש משמש כלוח הקבל השני (איור 2). הקיבול נמדד באמצעות ממיר קיבול לדיגיטל (CDC).
ה-CDC, המסוגל לחוש שינויים בקיבול של חיישנים חיצוניים, משתמש במידע זה כדי לרשום את הפעלת חיישן. ל-AD7147 ו-AD7148, עם כניסות חיישן קיבול של 13 ו-8, בהתאמה, יש לוגיקת כיול תוך-שבבית המקזזת שינויים במדידה הנגרמים בשל שינויים בסביבה האופפת, כדי למנוע הפעלות שווא בחיישנים החיצוניים בשל שינויי טמפרטורה או לחות.
ה-AD7147 ו-AD7148 מאפשרים מצבי תפעול שונים, רצפי המרה ניתנים לתכנות על ידי המשתמש, ומאפייני בקרה גמישים מאוד. המאפיינים הללו הופכים את המכשירים הללו לאידיאליים לצורך חישת מגע ברזולוצית גבוהה, כמו למשל פסי מחוון או גלגלי גלילה, עם דרישות תוכנה מינימליות. בנוסף, אפשר ליישם יישומי חיישן-לחצן באופן מלא באמצעות לוגיקה דיגיטלית תוך-שבבית ללא צורך בתוכנה.
עקרונות בסיסיים של
מדידה וגילוי קיבול
קיבול הוא היכולת של קבל לאחסן אנרגיה בשדה חשמלי. במצב הרגיל – בקבל לוחות מקבילים – הקיבול,
C, הוא מדד של המטען, Q, השמור בקבל במתח נתון V והוא מחושב על ידי:
=QV
C
העיקרון הבסיסי של טכניקת גילוי ומדידת קיבול מוצג באיור 3 עבור קבל לוחות מקבילים.
קבל לוחות מקבילים כולל שני מוליכים (לוחות מתכת) והוא מאופיין על ידי:
• שטח המוליך
a × b
• המרחק,
d, בין שני לוחות המוליך
• החומר הדיאלקטרי בין שני מוליכים מאופיין על ידי הקבוע הדיאלקטרי
הקיבול, בהתבסס על הגיאומטריה הזו, מחושב על ידי:
כאשר הוא הפרימיטיביות של הריק.
התקן ה-
CDC מפעיל עירור על לוח אחד של הקבל ומודד את המטען המאוחסן בקבל; לאחר מכן מתקבלת התוצאה הדיגיטלית עבור המארח החיצוני. יש ארבעה סוגים של חיישן קיבולי, כמוצג באיור 4, הנבדלים זה מזה על ידי אופן הפעלת העירור.
מאחר וקיבול החיישן נקבע על ידי
a, b, d, ו-, שינוי הערכים של הפרמטרים הללו וצפייה בשינויים בערכיהם מאפשרים להשתמש בטכנולוגית CDC למדידה ישירה של ערך הקיבול, וכן ליישומים רבים אחרים, בהתאם לסוגי החיישנים. לדוגמה אם a, b, d, ו- הם קבועים, יציאת ה-CDC היא ביחס הפוך למרחק בין שני מוליכים.
יישומים
המשפחות
AD715x ו- AD774x של מוצרי CDC מתאימות למגוון רחב של יישומים, עם קצבי דגימה שונים, רזולוציות, טווחי קלט וסוגי חיישני קלט שונים. למרות שהיישומים האפשריים של חישת קיבול מוגבלים רק על ידי יצירתיות המשתמש, להלן מספר רעיונות ליישומים בתחום הרפואה.
ניטור מפלס נוזל
ביישומים רבים, כמו למשל עירויים, חובה למדוד את כמות הנוזל בה משתמשים או להפסיק את הזרימה לפני שבקבוק העירוי מתרוקן. כדי לחסוך זמן לעובדים הרפואיים, חישת מפלס נוזל אוטומטית יכולה לעזור למנוע את הצורך בבדיקות ידניות.
העיקרון הבסיסי בחישת מפלס נוזל מוצג באיור 5. יש לבנות קבל לוחות מקבילים עם לוחות הנצמדים בחוזקה לדופן החיצונית של בקבוק העירוי, ומגיעים כמעט עד תחתית הבקבוק. כאשר מפלס נוזל העירוי משתנה, כמות החומר הדיאלקטרי בין הלוחות משתנה, ובכך נוצר שינוי בקיבול. כדי לאפשר שימוש בחומרי עירוי שונים עם קבועים דיאלקטריים שונים, חיישן קיבולי שני הממוקם ליד התחתית משמש כתעלת ייחוס ליצירת מדידות בהן מתח היציאה הוא יחסי.
ה-AD7746 24 ביט, עם שני ערוצי מדידת הקיבול שלו, יכול להתאים ליישום מסוג זה.
גילוי החיבור בין אלקטרודות וגוף האדם
עבור התקנים המיועדים לפעול בקרבת עור אדם, כמו למשל אלה המוצגים באיור 6, לעתים קרובות יש יתרון בקבלת מידע על איכות המגע בין פני השטח של ההתקן ועור המטופל – לפני שההתקן מופעל או שהמדידה מתבצעת. טווח שימושי הקצה יכול לכלול חיישן רפואי אותו מניחים בצורה ישרה על העור, חיישן אלקטרודה בי-פוטנציאלי, או הבית המחזיק צינור קטטר במקומו. כדי לקבל מידע נוסף זה, ניתן להתקין מספר אלקטרודות חיישן קיבולי, כמוצג בירוק, ישירות בתוך בית הפלסטיק של ההתקן, בשלב היציקה בהזרקה בייצור. ברגע שמתקבל מידע מהאלקטרודה, ניתן להשתמש באלגוריתם פשוט בבקר המארח כדי לקבוע אם כל אלקטרודות החיישן נמצאות במגע טוב עם העור.
הדוגמאות המוצגות באיור 6 משתמשות בחיישנים קיבוליים באופן לא קונבנציונלי; משתמש ממקם התקן המכיל את האלקטרודות לחישת קיבולית על גוף האדם, בניגוד ליישומי ממשק אדם מסורתיים המבוססים על חישה קיבולית, בהם אדם יוצר בדרך כלל מגע עם אלקטרודות החיישן על ידי מגע אצבע. הפיתוח של סוג היישומים המוצג באיור 6 הוא פשוט יותר בהשתמש ב-
AD7147/AD7148.
גילוי זיעה
בסוגים מסוימים של ציוד לבדיקת כושר ובדיקות רפואיות, יש צורך למדוד הזעה מגוף האדם. עושים זאת בדרך כלל על ידי מדידת המוליכות החשמלית של העור. יחד עם זאת, אם צריך לבצע את המדידה ללא מגע גלוואני, ניתן ליישם את הפונקציה הזו על ידי גילוי הלחות ליד גוף האדם בהשתמש בחיישן קיבול.
כאשר אנשים מזיעים, הלחות (קבוע דיאלקטרי) בסמוך לעור האדם עולה; אלקטרודה ללא מגע בקרבת העור יכולה לשמש כדי למדוד את השינוי הנוצר בקיבול.
לפעמים יש תועלת בהוספת חיישן קיבול שני כדי למדוד את הלחות האופפת ולהשתמש בכך כדי לקזז את המצב הרגיל.
מדידת קצב הנשימה
מדידת קצב הנשימה היא מודול חשוב במערכות לניטור חולים.
על פי גישה אחת, המוצגת באיור 7, מניחים לוח עירור על גבו של החולה, ומחברים חגורת אלקטרודות חישה לצידו הימני של חזה החולה. כאשר הריאות מתמלאות ומתרוקנות, תנועות החזה משנות את המרחק בין שני הלוחות. הקבוע הדיאלקטרי גם הוא משתנה בשל הפעולות הפיזיות המורכבות בזמן הנשימה. התקני
CDC יכולים למדוד את השינויים הללו בקיבול.
הסיבה לכך שמניחים את אלקטרודת החיישן על צידו הימני של חזה החולה היא שמיקום זה מושפע באופן המועט ביותר מפעולות פיזיות אחרות. יחד עם זאת, ניתן לקבל מידע נוסף על פונקציות הגוף על ידי הנחת מספר אלקטרודות חיישן במקומות שונים על חזה החולה. זה יכול להיות נושא מעניין למחקר נוסף.
מדידת לחץ דם
ביישומים של מדידת לחץ דם המשתמשים בשרוול מתנפח, חשוב למדוד את הלחץ בשסתום האוויר. אפשר להשתמש בחיישן קיבולי בקלות ביישומים כאלה של חישת לחץ.
כפי שמוצג באיור 8, הדיאפרגמה של חיישן הלחץ מורכבת באופן עקרוני משני לוחות קיבוליים. כאשר לחץ מופעל על החיישן, הלוחות הקיבוליים מתקרבים זה לזה. המרחק המוקטן בין הלוחות מגדיל את הקיבול.
אפשר להשתמש בחיישן טמפרטורה כדי לגלות את השינוי בטמפרטורה של החיישן כדי לקזז את השינוי האופייני שלו עם הטמפרטורה. למשפחת AD774x
יש חיישן טמפרטורה פנימי המאפשר למדוד את הטמפרטורה התוך-שבבית – וערוץ מתח ADC נוסף בו ניתן להשתמש כדי למדוד את הטמפרטורה באתר החיישן.
סיכום
מאמר זה, המציג בקצרה את היתרונות של טכנולוגית CDC בהתקנים אנלוגיים, מרמז על הפוטנציאל העצום של טכניקות CDC ביישומים רפואיים. יחד עם זאת, תכן החיישן – כולל תבנית, גודל ומיקום – תכן המעגל האלקטרוני המפורט הנלווה לכך, והצורך במחקר מעמיק, ניסויים מקיפים ובדיקות אפקטיביות, תלויים באופן קריטי בטיבו של כל יישום, ולכן אנו מקווים לעודד את היצירתיות על ידי כך שהעלנו כאן מספר אפשרויות.
סימוכין:
1.
מידע על כל מוצרי
ADI ניתן למצוא ב-www.analog.com
2.
עמוד הבית של
http
://www.analog.com/en/analog–to–digital–converters/capacitance–to–digital–converters/products/index.html
3.
עמוד הבית של
ADIhealthcare
http
://healthcare.analog.com/en/segment/health.html
4.
Prutchi, David, andMichaelNorris, תכן ופיתוח של מכשור אלקטרוני רפואי, ISBN 0-471-67623-3, John
מחבר המאמר
נינג’ ג’יה הוא מהנדס יישומים במרכז יישומי לקוח, אסיה. הוא אחראי לתמיכה טכנית במגוון רחב של מוצרים אנלוגיים באסיה. נינג’ הצטרף ל-
AnalogDevices ב-2007 לאחרי שסיים את אוניברסיטת בייג’ינג לדואר וטלקומוניקציה עם תואר שני בעיבוד אותות ומידע.
Wiley
& Sons, Inc. ().
