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Medizinische Wearables

Photodetektor-Modul für kompaktere Designs

09. Juli 2020, 08:00 Uhr   |  Markus Haller

Photodetektor-Modul für kompaktere Designs
© Syda Productions | Shutterstock.com

Ein schlüsselfertiges Modul aus optischem Sensor und MCU verkürzt die Entwicklungszeit für medizinische Wearables.

Ein schlüsselfertiges Modul von Maxim mit doppeltem Photodetektor soll Entwicklern von Fitnesstrackern und medizinischen Wearables bis zu sechs Monaten Entwicklungszeit sparen.

Das Modul läuft unter der Bezeichnung MAXM86146. Es ist ein integrierter Baustein im 4,5 mm x 4,1 mm x 0,88 mm Gehäuse mit 38 Pins und stellt das nötige Frontend für die optische Messung von Herzfrequenz und Blutsauerstoffsättigung bereit. Laut Maxim fällt es 45 % dünner aus als eine vergleichbare Schaltung aus diskreten Bauteilen.

Zwei Messkanäle

Vereinfachtes Blockschaltbild des MAXM86146: Im analogen Frontend sind zwei getrennte Messkanäle und LED-Treiber integriert. Als MCU wird ein ARM Cortex-M4 verwendet.
© Maxim

Vereinfachtes Blockschaltbild des MAXM86146: Im analogen Frontend sind zwei getrennte Messkanäle und LED-Treiber integriert. Als MCU wird ein ARM Cortex-M4 verwendet.

Das analoge Frontend des Moduls besteht aus zwei unabhängigen Messkanälen. Jeder Messkanal hat einen eigenen Photodetektor, einen 19 Bit ADU, Umgebungslicht- und Rauschunterdrückung. Die Messwerte speichert ein gemeinsames FIFO. Über eine SPI-Schnittstelle werden die Daten an einen integrierten ARM-Cortex-M4-Mikrocontroller übertragen.

Die aktive Fläche der Photodioden beträgt jeweils 3,8 mm². Sie können als zwei unabhängige Sensoren oder als kombinierter Sensor betrieben werden. Ein LED-Treiber mit drei Kanälen ist integriert, LEDs müssen als externe Bausteine hinzugefügt werden. Der Linearitätsbereich (Dynamic Range) ist > 90 dB und lässt sich durch verschiedene Messmethoden (Mittelwertbildung, Multiple Sample) für Herzfrequenzmessungen auf >110 dB und für die Messung der Sauerstoffsättigung auf > 104 dB steigern.

Beschleunigungssensor erforderlich

Die Messung von Herzfrequenz und Sauerstoffsättigung hängt vom Abstand zwischen Handgelenk und Photodiode ab, der sich je nach Handbewegung leicht verändert. Zur Kompensation werden Messdaten aus einem Beschleunigungssensor hinzugezogen, der extra angeschafft werden muss. Informationen zur richtigen Auswahl sind im Datenblatt hinterlegt.

Spannungsversorgung und Stromaufnahme

Das Modul arbeitet mit 1,8 V als zentrale Stromversorgung. Die LED-Treiber benötigen eine Mindestspannung von 3,1 V. Die Pulszeiten der LED-Treiber sind zwischen 14,8 ms und 117,3 ms frei programmierbar. Die Stromaufnahme des analogen Frontends beträgt bei 25 Messwerten/s 10 mA. Zwischen den Messungen kann der MCU in einen Tiefschlafmodus versetzt werden.

Aus rohen Messwerten Vitalparameter ableiten

Auf dem MAXM86146 ist Bootloader-Software vorinstalliert. Der nötige proprietäre Anwendungscode kann auf der Maxim-Webseite heruntergeladen werden und besteht aus komplexen Algorithmen zur Messdatenverarbeitung (u.a. Umgebungslichtkompensation, Rauschunterdrückung), Steuerbefehlen für das analoge Frontend und für den Beschleunigungssensor.

Um aus den rohen Messdaten Vitalparameter nach medizinischen Standards abzuleiten, sind im Modul laut Maxim »direkt einsatzbereite Biosensor-Algorithmen« installiert, die der Entwickler nicht erst selbst programmieren muss. Die Entwicklungszeit, die sich durch Einsatz des Moduls insgesamt einsparen lässt, wird auf bis zu sechs Monate beziffert. Ein Entwicklungskit ist direkt über Maxim oder die Vertragsdistributoren beziehbar.

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