Integrierte Medizinelektronik – Teil 3

Das AS7050-System im Einsatz

8. Mai 2023, 6:00 Uhr | Von Klaus Dembowski

Eine Besonderheit des Eval Kits von AMS Osram für den AS7050 sind die auf der Platine platzierten Kontaktflächen als Fingerelektroden. Zu seinen Funktionen zählen PPG- und EKG-Messungen sowie die Messung des Hautwiderstandes.

Die Firma AMS hat das System AS7050 über den Distributor EBV Elektronik in Form des Kits AS7050_EVALKIT_BL (Bild 14) für den Test zur Verfügung gestellt.

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Es besteht aus einer Platine – Hauptplatine AS7050 EVK –, auf die ein Bluetooth-Funkmodul (AMS BTLE, e0091c) aufgesteckt ist. Dazu gehören außerdem zwei steckbare optische Module (SFH7072, SFH7074) sowie ein Micro-USB-Kabel. Eingesetzt wird das Modul SFH7072. Warum ein zweites mitgeliefert wird, ist nicht klargeworden, denn mit dem AS7050 EVK liefert es keine Ergebnisse.

Auffällig am Eval Kit von AMS sind drei Elektroden in Form von Kontaktflächen (Finger Electrodes), die direkt auf der Hauptplatine ausgeführt sind. Damit ist es möglich, dort die Finger für die Messung des EKG und für das Opto-Modul zu positionieren (Bild 15).

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Überblick

In Teil 1 [7] richtet sich der Blick auf die Methoden der medizinischen Messtechnik, die in den später betrachteten Entwicklungssystemen und Geräten umgesetzt werden, sowie die aktuell angebotenen ICs mit den analogen Eingangsstufen.
Teil 2 [9] nimmt den Baustein MAX86178 von Analog Devices (ehemals Maxim Integrated) mit PPG- und EKG-Funktion sowie bioelektrischer Impedanz-Analyse unter die Lupe, zusammen mit seinem Entwicklungskit.
Teil 3 widmet sich dem AS7050 von AMS Osram sowie dessen Evaluation-Kit, der ebenfalls PPG- und EKG-Messungen ermöglicht sowie über eine Messfunktion für den Hautwiderstand verfügt.
In Teil 4 wird das AFE4950EVM-Entwicklungssystem von Texas Instruments mit Mikrocontroller untersucht, das nur PPG- und EKG-Messungen durchführen kann, und es wird ein anschließendes Fazit gezogen.

Die Nummerierung der Bilder wird durch alle Beiträge hindurch fortgesetzt. Sie startet im aktuellen Beitrag mit Bild 14.
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Aufbau des Entwicklungsystems

Das AS7050 EVK verfügt über keinerlei Jumper. Allein der Ein/Aus-Schalter (6. in Bild 14) ist als Bedienelement vorhanden. Außerdem sind zwei Taster (Mode, Reset) auf dem BLE-Funkmodul vorhanden, die im Normalfall aber nicht zu benutzen sind. Das BLE-Funkmodul ist das Controllermodul. Es steuert mit seinem Mikrocontroller den AS7050 auf dem Sensormodul über SPI. Beide Bereiche sind galvanisch getrennt aufgebaut, wozu sogenannte digitale Isolatoren eingesetzt werden, zwei ICs von Analog Devices (ADUM142, ADUM1251). Für die getrennte Spannungsversorgung (Isolation Barrier) wird ein DC/DC-Wandler (3,3 V / 5 V) von Recom Power verwendet. Des Weiteren ist auch eine mechanische Trennung möglich, indem die Platine auseinandergebrochen wird, die dafür entsprechend geschlitzt ist.

Die Verbindung zwischen dem Sensormodul (rechter Bereich im Bild 14) und dem Controllermodul ist dann anhand einer Flexkabelverbindung möglich, wofür zwei entsprechende Steckverbinder (J500 oben, J400 unten) vorgesehen sind.

Sinnvoll ist die Trennung der Hauptplatine des AS7050 EVK in ein separates Controllermodul und das Sensormodul nur dann, wenn die Verbindung mit einer anderen Schaltung hergestellt werden soll, z. B. mit dem AS7050 Wired Wristband (Vital Sign Smartwatch, Bild 16), wofür auf dem BLE-Teil der Steckverbinder J502 (Picoblade) dient.

Neben den eingebauten Elektroden können auch gewöhnliche externe verwendet werden, die dann an den Steckverbinder J600 (Picoblade) auf der Platinenrückseite anzuschließen sind. Dafür müssen die Fingerelektroden auf der Hauptplatine deaktiviert werden, wofür theoretisch drei Null-Ω-Widerstände zu entfernen sind. Theoretisch deshalb, weil entgegen dem Schaltplan gar keine Null-Ω-Widerstände eingebaut sind, stattdessen müssten Leiterbahnen für die Deaktivierung der Fingerelektroden durchtrennt werden. Eine Umschaltung per Steckbrücke und Standardelektrodenanschlüsse wäre hier praktikabler und wünschenswert.

Für die Kontrolle der Sensormodul-Stromaufnahme ist ein A/D-Umsetzer mit integriertem programmierbarem Komparator (ADS1114IDGST) von Texas Instruments auf der Platinenrückseite vorhanden, der per I²C-Bus angesteuert wird. Auf der Rückseite ist auch ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor platziert, der in Applikationen häufig eingesetzte Sensor LIS2DH12 von STMicroelectronics, der für die Kompensation von Bewegungen während der Messung genutzt werden kann. Als LDO-Spannungsregler kommen ein LP5907MFX-3.3 (TI) sowie zwei LTC1844ES5- und ein LTC2950-1 als Laderegler für den optionalen LiPo-Akku zum Einsatz.

Die analoge Schaltung des Sensormoduls ist aufgrund des hochintegrierten ICs AS7050 (Bild 17) nicht besonders aufwendig, allein das Interface für die Elektroden erfordert einige Kondensatoren und Widerstände, zumal der optische Teil gewissermaßen in das Opto-Modul (SMOD 7072) verlagert und über eine Steckverbindung (J300) an den AS7050 gekoppelt wird. Die Schaltungen für die erwähnten Regler und Umsetzer entsprechen im Prinzip den Vorgaben der einzelnen Halbleiterhersteller und weisen daher keine Besonderheiten auf.

Auf der AMS-Osram-Internetseite zum AS7050 (https://ams.com/as7050) stehen alle Dokumente und die notwendige Software ohne Registrierung frei zum Download zur Verfügung. Die Dokumentationen beschreiben die Funktion und die Inbetriebnahme des Systems für den Einstieg ausreichend, und die Software gibt es nicht nur für Windows, sondern auch für macOS und Linux.

Inbetriebnahme und Messungen

Nach dem Einschalten des Entwicklungssystems leuchten zwei grüne LEDs: Eine auf dem BLE-Funkmodul, eine auf dem Controllermodul, was die Einsatzbereitschaft signalisiert. Die Installation der Software (A7050 EvalSW) verläuft ohne jegliche Probleme, und das Eval Kit wird bei einem Windows-PC als serielles USB-Gerät an einem COM-Port erkannt.

Beim Start der Software AS7050EvalSW sollte der Entwickler nicht ungeduldig werden, denn es dauert eine gewisse Zeit, bis die GUI erscheint. Wenn das Programm aus Ungeduld mehrmals gestartet wird, geht dies zulasten der GUI-Reaktionszeit.

Nach dem Verbinden blinkt die LED auf dem BLE-Funkmodul, was bedeutet, dass das Eval Kit mit der PC-Software verbunden ist. Wenn eine BLE-Funkverbindung vorhanden ist, blinkt diese LED stattdessen blau. Eine BLE-Funkverbindung ist optional.

Bei Google Play wird eine geeignete Android-App »ams-OSRAM Vital Signs« und im Apple App Store »ams Vital Signs« angeboten. Beide Programme erlauben die Darstellung von HRM, S_pO₂, GSR und Raw Data (PPG,1, ECG) auf dem Smartphone. Die Apps haben das Eval Kit mitunter aber nicht erkannt. Nach der Auslösung eines Resets durch die Betätigung des Reset-Buttons auf dem BLE-Funkmodul, ließ sich dieses Problem jedoch stets beheben.

Sobald die Hauptplatine des Eval Kits mit der PC-Software verbunden ist, wird außerdem die Statusanzeige (unten links) in der AS7050-Vital-Signs-Sensor-Software (Bild 18) von rot auf grün geschaltet, was signalisiert, dass das Eval Kit einsatzbereit ist. Wichtig sind die sogenannten Configuration Presets auf der linken Seite der GUI. Dies sind Voreinstellungen für die Messung des Herzschlags/Puls (HRM, Heart Rate Measurement), der Sauerstoffsättigung (S_pO₂) sowie für verschiedene ECG- und PPG-Konfigurationen und für eine GSR-Messung. Die Configuration Presets basieren auf vorgegebenen AS7050-Einstellungen, die sich manuell in den einzelnen Kategorien – LEDs bis Power Management – einstellen und unter File – Save Configuration abspeichern und wieder laden lassen, was im JSON-Format erfolgt. Ein direktes Einstellen der Registerinhalte ist in der Register Map unter File ebenfalls möglich. Außerdem können die Registereinstellungen auch als CSV-Datei exportiert werden.

Durch die Betätigung des Start-Measurement-Buttons wird die selektierte Messung (EVK: HRM 20 Hz) gestartet und bei Fingerpositionierung auf dem Opto-Modul die PPG-Messkurve (Raw Data) sowie unter Application Output die daraus errechnete Heart Rate dargestellt. Solange die Messung läuft, ist in der Statuszeile »Measurement: running« grün geschaltet.