Мобильные медицинские устройства на основе микроконтроллера, сенсоров и смартфона

Привет, читатель! Вероятность того, что вы пользуетесь устройствами из сферы персональной медицины, весьма высока. Для профессиональных спортсменов есть приборы для контроля состояния сердечно-сосудистой системы во время тренировок, (например, портативный ЭКГ). Для пациентов — медицинские холтеры, которые отслеживают работу сердца. Для всех желающих – фитнес-браслеты на любой вкус и кошелек. А что если собрать такой прибор своими руками? Нюансы, особенности и реализация проектов под катом!

Одно из моих хобби — разработка измерительных средств и приборов. Как робототехнических, так и специального назначения. Среди них есть устройства, помогающие облегчить жизнь медперсонала. Ранее я выполнял некоторые проекты в рамках грантов и научно-исследовательской работы. Изучая возможности ОС «Аврора», решил переписать ряд решений, сделав их более мобильными. Заодно хотел бы познакомить вас с методами, которые применяются для анализаа и встречаются в повседневных приборах.

Используйте навигацию, если не хотите читать текст полностью:
→ Реализация
→ Давление
→ Sp02
→ Электрокардиограмма
→ Что дальше?

Большинство описанных решений в рамках данной статьи будут иметь схожую структурную схему: телефон с запущенным ПО, конвертер USB-UART, микроконтроллер подготовки данных и измерительная цепь. Отличаются только выходные формы и методы измерения сигналов.

Зачем здесь отдельный микроконтроллер, спросите вы. Изначальной целью было встроить датчик пульсоксиметрии в R570E, аналогично Galaxy S10. Но мне не удалось установить или собрать i2c-tools на ОС «Аврора 4», т. к. в системе нет зависимостей. Однако я находил информацию, что MT6762 поддерживает этот интерфейс. Раз встроить не получилось, подключаю и предварительно обрабатываю сигнал отдельным устройством.

Программный код для телефона написан на привычном Qt и все основные моменты и нюансы подсвечены в статье о построении графиков.

Интересный факт: систолическое и диастолическое давление измеряется методом Короткова, где прибор «слушает», когда пульс достаточно четкий.

Один из первых проектов, реализованных совместно с командой Омского государственного медицинского университета (тогда еще Омской медицинской академии), — устройство контроля внутриплеврального давления (RU 2019 141 980 A). Девайс позволяет в режиме реального времени отслеживать расход и разрежение внутри полостей.

Первая серия прототипов была изготовлена на базе планшетов с Windows с парой небольших плат Arduino Nano. Аналоговая часть состояла из дифференциального усилителя и цепи выпрямления сигнала. Позже дополняли прибор промышленным пищевым датчиком расхода воздуха для анализа потока. Собранную информацию прибор хранил как локально, так и отправлял в холодное хранилище для накопления и дальнейшего анализа.

Первый прототип прибора.

Для повторения эксперимента взял датчики 040DR1. Этот модуль представляет собой плату, на которой расположен сенсор MPS20N0040D, пара конденсаторов и HX710. Он проще и доступнее используемых сейчас сертифицированных MMBPTSA20, но сенсоры имеют схожий принцип. Данные модули оснащены необходимой микросхемой усиления и АЦП, что позволяет собирать информацию по цифровому интерфейсу.

Экспериментальная плата повторяет только логику сбора информации. В исходном приборе и патенте описано измерение давления и разрежения.

В рамках НИОКР в исходном проекте выяснили, что минимально необходимая и достаточная частота сбора данных — 10 Гц. Соответственно, каждые 100 мс микроконтроллер проводит опрос и передает на «верхний» уровень значение АЦП.

Отработав получение значения с датчика давления, я приступил к реализации интерфейса для следующих, более известных датчиков.

Методы фотоплетизмографии — довольно большая и интересная область. Одно из направлений —- пульсоксиметрия. Этот метод позволяет оценить насыщенность крови кислородом, а также подсчитать количество пульсаций кровотока. Первая волна популярности этих датчиков случилась, когда их стали включать в фитнес-браслеты. А активная массовая закупка портативных сканеров пришлась на времена COVID-19.

Занимательный факт: первое устройство с пульсоксиметром — финский пульсометр Polar, выпущенный в 1977 году. В 1984 фирма выпустила часы с этой же технологией.

Как же работает данный метод? Ученые выяснили, что кислород в крови отлично поглощает свет определенных длин волн. А еще — свет в каком спектре наиболее эффективно просвечивает кожу. Так удалось собрать устройство со светодиодом и датчиком. Первый облучает кожу, а второй определяет количество возвращенного света. О чем-то похожем, кстати, была статья-перевод на SE7ENе.

Для любителей давно выпускается ряд микросхем, позволяющих снять основные показатели. Наибольшую популярность получили 3010x. В отличие от упомянутой ранее HX710, микросхемы Analog Devices (до 2021 года микросхемы с этой маркировкой производила Maxim Integrated) оснащены интерфейсом I2C. Это позволяет подключить больше различных датчиков через меньшее количество проводов. Также этот интерфейс зачастую имеет аппаратную реализацию в микроконтроллерах.

Забавный факт: интерфейс I2C — нативный для ноутбуков и многих телефонов. Так, в Linux-системах вы можете поставить дополнительный пакет, просматривать устройства и обращаться к их адресам. Еще одно интересное его применение — подключение OLED через VGA именно при помощи указанной шины.

Оптимальной частотой обновления данных выбрал одну секунду. Кстати, на китайском зеленом модуле MAX30102 уже имеются подтяжки I2C к питанию. Учитывайте этот момент при присоединении других компонентов на линию.

Обложка приложения

Для удобства использования некоторую информацию можно выводить в миниатюры на главном экране телефона. Они описываются в QML-файле аналогично основным экранам.

Стандартный проект в Aurora IDE старых версий генерирует устаревший CoverPlaceholder и во время запуска приложения в консоли выдает соответствующую ошибку:

CoverPlaceholder is deprecated, use CoverTemplate instead

Используйте шаблон CoverTemplate для контента превьюшки или другие контейнеры.

Все, что необходимо для настройки превью — указать идентификатор для шаблона CoverTemplate и заполнить поле primaryText той информацией, которая будет заголовком. Дополнительно можно заменить отображаемую иконку или убрать ее. Для работы предпочитаю использовать стандартный набор значков. Пример настроенного шаблона:

…
CoverTemplate {
       id: cover
       objectName: "applicationCover"
       primaryText: "Sp02"
       description: "Не подключено."
       icon {
           source:"image://theme/icon-m-transfer"
           sourceSize { width: icon.width; height: icon.height }
       }
   }
…

Далее описываю логику работы и вывода информации. Обложка аналогично другим QML-страницам может получать информацию от объектов C++. Для этого добавляется элемент Connections, целью выбирается необходимый класс (который предварительно включен в main) и настраивается взаимодействие. Так, при получении сигнала spReady срабатывает onSpReady и выполняется перерисовывание обложки:

…
Connections {
       target: deviceCdc
       onSpReady: {
           cover.secondaryText = "ЧСС: "+ deviceCdc.hr +"\nSP02: " + deviceCdc.sp + "%";
           cover.description = "Подключено через: " + deviceCdc.name;
       }
   }
…

Созданная обложка информирует о показаниях датчика на главном экране.

Используйте обложки, это удобно.

Когда обучался в ОмГТУ, научный коллектив кафедры радиотехнических устройств и систем диагностики проводил разработку интеллектуального кардиомонитора. Он анализировал нагрузку и мог оповещать персонал и пользователя о необходимости дополнительного осмотра.

В магистратуре темой моей выпускной квалификационной работы (а позже и в аспирантуре) был прибор регистрации электромиограммы. Электромиограф — это прибор регистрации сигнала с мышечного волокна. Представляет собой усилитель сигнала и осциллограф. При работе мышцы каждая миофибрилла генерирует небольшую порцию электричества, и сумма этих потенциалов измеряется прибором. Однако, т. к. каждая миофибрилла работает несинхронно с другими, их импульсы не достигают большой величины.

Сердце — тоже мышца, но регистрация сигнала проще. Все волокно сокращается одновременно, давая мощный электрический импульс. Это позволяет регистрировать его практически в любом месте на теле. Такой метод активно используется, например, в Apple Watch. Когда часы находятся на руке, вы замыкаете электрическую цепь, касаясь Digital Crown. Встроенному АЦП достаточно измерять разность потенциалов и выводить данные на экран.

Описываемый кардиомонитор пригодился для оценки замедления процессов в организме мыши и проведения манипуляции после введения наркоза. Для их маленьких лапок печатали специальные «прищепки».

Электрокардиограф — единственный прибор в этой статье, который соприкасается непосредственно с человеком через электроды. Несмотря на то, что это усилитель сигнала, важно обеспечить гальваническую развязку с сетью 230В. Во-первых, это позволит обезопасить себя во время экспериментов. Во-вторых, уменьшит влияние помех от ПК на входной сигнал.

Помимо использования беспроводных устройств для отладки (ноутбук, планшет, телефон, Raspberry Pi на аккумуляторах и т. д.), стоит рассмотреть применение USB-изоляторов, например на базе распространенных ADUM4160, или же подключить плату через беспроводной интерфейс связи и питать от аккумулятора.

На тему разработки кардиографа с несколькими отведениями есть отличный цикл статей от @nikolz. Я уже заказал аналогичные чипы для экспериментов, а пока рассмотрим реализацию на базе простого и популярного AD8266.

Подход аналогичен получению информации о давлении, только здесь источником электрического сигнала является сам человек.

В качестве эксперимента использую максимально простой код: по сигналу прерывания, настроенному на 10 миллисекунд, производится считывание и отправка в UART значения из АЦП.

Забавный факт: для настройки большинства регистров AVR-чипов можно найти готовые калькуляторы. Например, для расчета UART или расчета прерываний (который сразу выдает рабочий код). Если вы только начинаете изучение микроконтроллеров, это может немного упростить жизнь.

 DDRB|=0b00100000;
 PORTB=0x00;
  cli();
   TCCR1A = 0;
   TCCR1B = 0;
   TCNT1 = 0;
   OCR1A = 624;
   TCCR1B |= (1 << WGM12);
   TCCR1B |= (1 << CS12);
   TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);
 sei();
 UBRR0H = 0;
 UBRR0L = 0;
 UCSR0B = (1<

ISR(TIMER1_COMPA_vect){
 while((ADCSRA & (1 << ADIF)) == 0);
 fastprint(ADCH);
 ADCSRA |= (1 << ADSC);
 }