Cómo aplicar rápidamente datos biométricos, biorretroalimentación y conocimiento de la situación en entornos inmersivos

Crear entornos inmersivos de realidad virtual (RV), realidad mixta (RM), realidad aumentada (RA) y realidad extendida (RX) para el metaverso es una tarea compleja. Para ayudar a crear estos entornos, los diseñadores pueden beneficiarse al usar datos biométricos para conocer las reacciones y el estado físico de los usuarios, de la biorretroalimentación para interactuar con el usuario y del análisis situacional para comprender el entorno. Los datos biométricos pueden implementarse con un oxímetro de pulso de alta sensibilidad y un sensor de frecuencia cardíaca. La biorretroalimentación puede proporcionarse a través de contenidos de audio o mediante interacciones táctiles. Por último, los sensores tridimensionales (3D) de láser de emisión lateral de cavidad vertical (VCSEL) de tiempo de vuelo (ToF), capaces de grabar a 30 fotogramas por segundo (fps), pueden cartografiar continuamente el entorno y apoyar el conocimiento de la situación.

El metaverso es una oportunidad en rápida evolución. Los diseñadores pueden verse presionados para desarrollar e integrar rápidamente la matriz necesaria de tecnologías de detección y realimentación de bajo consumo basadas en soluciones discretas, sin dejar de cumplir los plazos de comercialización y los costos de desarrollo. Además, muchos dispositivos del metaverso funcionan con batería, lo que hace necesarias soluciones de bajo consumo.

Para hacer frente a estos retos, los diseñadores pueden utilizar soluciones integradas que admiten la detección de alta sensibilidad del oxímetro de pulso y la frecuencia cardiaca, proporcionan retroalimentación táctil y de audio de clase D de alta eficiencia y utilizan una solución de detección ToF 3D basada en VCSEL que puede detectar posiciones y tamaños de objetos con un alto nivel de granularidad, incluso en condiciones de luz ambiental intensa.

Este artículo repasa el funcionamiento de los sensores de oxímetro de pulso y frecuencia cardiaca, examina cómo los amplificadores de clase D pueden proporcionar retroalimentación de audio de alta calidad y muy bajo consumo, y presenta una matriz de CI de bajo consumo de Analog Devices para biometría, biorretroalimentación y conocimiento de la situación, junto con las placas de evaluación asociadas.

Detección de datos biométricos

Un fotopletismograma (PPG) mide los cambios en el volumen sanguíneo a nivel microvascular y suele utilizarse para implantar un oxímetro de pulso y un pulsómetro. Una PPG utiliza láseres para iluminar la piel y medir los cambios en la absorción (o reflexión) de la luz en longitudes de onda específicas. La señal PPG resultante incluye componentes de corriente continua (CC) y corriente alterna (CA). La reflectividad constante de la piel, los músculos, los huesos y la sangre venosa da lugar a la señal CC. La pulsación de la frecuencia cardiaca de la sangre arterial es la fuente principal de la señal de CA. Se refleja más luz en la fase sistólica (bomba) que en la fase diastólica (relajación) (Figura 1).

Figura 1: La señal PPG en oximetría de pulso incluye componentes CC y CA relacionados con elementos como la estructura tisular y el flujo sanguíneo arterial, respectivamente. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La relación entre el flujo sanguíneo pulsátil (señal CA) y el flujo sanguíneo no pulsátil (señal CC) en una señal PPG es el índice de perfusión (IP). Utilizando IP a diferentes longitudes de onda, es posible estimar el nivel de saturación de oxígeno en sangre (S_pO₂). El diseño del sistema PPG para maximizar las relaciones PI aumenta la precisión de las estimaciones de S_pO₂. Las relaciones PI pueden aumentarse mejorando el diseño mecánico y aplicando sensores de mayor precisión.

Se pueden utilizar arquitecturas transmisivas y reflectantes para los sistemas PPG (Figura 2). Un sistema transmisivo se utiliza en zonas del cuerpo donde la luz puede pasar fácilmente, como los lóbulos de las orejas y las puntas de los dedos. Estas configuraciones pueden lograr un aumento de 40 a 60 decibelios (dB) en el PI. En un PPG reflectante, el fotodetector y el LED se colocan uno al lado del otro. Los PPG reflectantes pueden utilizarse en la muñeca, el pecho u otras zonas. El uso de un diseño de reflexión reduce las relaciones PI y requiere el uso de un front-end analógico (AFE) de mayor rendimiento en el sensor. El espaciado también es fundamental para evitar saturar el AFE. Además de las consideraciones de diseño mecánico y eléctrico, el desarrollo de software para interpretar correctamente las señales PI puede suponer un reto importante.

Figura 2: Se puede utilizar un único LED IR en un oxímetro de pulso y un sensor de frecuencia cardíaca sencillos, pero si se utilizan varios LED se puede obtener una señal de salida de mayor calidad. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Un reto adicional a la hora de diseñar sistemas PPG es la necesidad de tener en cuenta cualquier movimiento del usuario mientras se realiza la medición. El movimiento puede causar presiones que pueden cambiar la anchura de las arterias y venas, afectando a su interacción con la luz, lo que cambia las señales PI. Dado que tanto las señales PPG como los artefactos típicos del movimiento se encuentran en rangos de frecuencia similares, no es posible filtrar simplemente los efectos del movimiento. En su lugar, se puede utilizar un acelerómetro para medir el movimiento y poder anularlo.

Monitorización de S_pO₂ y frecuencia cardiaca

Para los diseñadores que necesiten implementar la monitorización de la S_PO₂ y la frecuencia cardíaca, Analog Devices ofrece el diseño de referencia MAXREFDES220# que proporciona gran parte de lo necesario para crear rápidamente un prototipo de solución, incluyendo:

• El módulo integrado de pulsioximetría y pulsómetro MAX30101. Este módulo incluye LED internos, fotodetectores, elementos ópticos, un AFE de alto rendimiento y otros componentes electrónicos de bajo ruido, además de rechazo de la luz ambiental.
• El concentrador de sensores biométricos MAX32664, diseñado para su uso con el MAX30101. Incluye algoritmos para implementar la monitorización de la S_PO₂ y la frecuencia cardíaca, y dispone de una interfaz I²Cpara la comunicación con una unidad de microcontrolador (MCU) anfitriona. Los algoritmos también admiten la integración de un acelerómetro para la corrección del movimiento.
• El acelerómetro de tres ejes ADXL362 consume menos de 2 microamperios (µA) a una velocidad de datos de salida de 100 Hertz (Hz), y 270 nanoamperios (nA) en el modo de activación por movimiento.

Clase P para respuesta de audio

La retroalimentación de audio puede ofrecer la oportunidad de interactuar con los usuarios. O puede disminuir la calidad de la experiencia si la calidad del sonido es mala. Los micro altavoces utilizados en los entornos típicos de wearables y VR/MR/AR/XR pueden resultar difíciles de usar de forma eficaz y eficiente. Una forma de solucionarlo es utilizar un amplificador inteligente de clase D de alta eficiencia con convertidor elevador integrado y escalado de voltaje para obtener una mayor eficiencia con una potencia de salida baja. La función de amplificación inteligente integrada puede aumentar el nivel de presión sonora (SPL), así como la respuesta de graves, para un audio más rico y realista.

El diseño de amplificación inteligente es un proceso complejo, pero existen amplificadores con procesadores de señal digital (DSP) integrados que implementan automáticamente la amplificación inteligente y proporcionan un rendimiento mejorado del altavoz, incluida la detección de corriente-tensión (IV) para controlar la potencia de salida y evitar daños en el altavoz. Con una amplificación inteligente, los micro altavoces pueden ofrecer con seguridad niveles de presión sonora más altos y una mayor respuesta de graves. Existen soluciones integradas que proporcionan un aumento de 6 a 8 dB del SPL y amplían la respuesta de graves hasta una cuarta parte de la frecuencia de resonancia (Figura 3).

Figura 3: La amplificación inteligente con un diseño de clase DG puede soportar de forma segura y eficaz niveles SPL más altos y una respuesta de graves ampliada en microaltavoces. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Amplificador clase D para realimentación de Audio

El MAX98390CEWX+T es un amplificador inteligente de clase D de alta eficiencia con un convertidor elevador integrado y la gestión dinámica de altavoces (DSM) de Analog Devices para un sonido superior que puede soportar una realimentación de audio eficiente y de alta calidad. Este amplificador incluye escalado de voltaje para una alta eficiencia a baja potencia de salida. Además, el convertidor elevador funciona con voltajes de batería de hasta 2.65 voltios y tiene una salida programable de 6.5 a 10 voltios en incrementos de 0.125 voltios. El convertidor elevador incluye seguimiento envolvente para ajustar la tensión de salida a fin de obtener la máxima eficiencia, junto con un modo de derivación para el funcionamiento con baja corriente de reposo.

Este amplificador reforzado puede suministrar hasta 6.2 vatios a un altavoz de 4 Ohm (Ω) con sólo un 10% de distorsión armónica total más ruido (THD+N). Incluye un sensor IV integrado para proteger el altavoz contra daños y admite niveles de presión sonora más altos y una respuesta de graves más baja.

Para acelerar el desarrollo con el MAX98390C, Analog Devices ofrece el kit de evaluación MAX98390CEVSYS#. El kit incluye la placa de desarrollo MAX98390C, una placa de interfaz de audio, una fuente de alimentación de 5 voltios, un micro altavoz, un cable USB, el software DSM Sound Studio y el software de evaluación MAX98390 (Figura 4). El software DSM Sound Studio cuenta con una interfaz gráfica de usuario (GUI) que implementa DSM en un sencillo proceso de tres pasos. También incluye una demostración de siete minutos del impacto del software DSM utilizando el micro altavoz.

Figura 4: El kit MAX98390CEVSYS# incluye todo el hardware y el software necesarios para desarrollar sistemas de realimentación de audio de clase D. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Háptica para retroalimentación táctil

Los diseñadores de sistemas que dependen de la respuesta táctil para atraer a los usuarios pueden recurrir al controlador de alta eficacia MAX77501EWV+ para actuadores piezoeléctricos. Está optimizado para accionar elementos piezoeléctricos de hasta 2 microfaradios (µF) y genera una forma de onda háptica de un solo extremo de hasta 110 voltios pico a pico (Vpk-pk) a partir de una tensión de alimentación de 2.8 a 5.5 voltios. Puede funcionar en modo de reproducción de memoria con formas de onda pregrabadas o utilizar formas de onda en tiempo real transmitidas desde una unidad de microcontrolador. Se pueden asignar dinámicamente múltiples formas de onda a la memoria integrada, que puede servir como búfer primero en entrar, primero en salir (FIFO) para la transmisión en tiempo real. La Interfaz periférica serial (SPI) integrada permite el acceso y control total del sistema, incluida la notificación y supervisión de fallos. También permite la reproducción tras un tiempo de arranque de 600 microsegundos (µs) desde el apagado. Para garantizar una alta eficiencia y la máxima duración de la batería, este controlador dispone de una arquitectura boost de consumo ultrabajo con una corriente de espera de 75 μA y una corriente de apagado de 1 μA.

Para explorar las capacidades del controlador piezoeléctrico MAX77501, los diseñadores pueden utilizar el kit de evaluación MAX77501EVKIT#, totalmente ensamblado y probado. El kit permite evaluar fácilmente el MAX77501 y su capacidad para conducir una señal háptica de gran tamaño a través de un actuador piezoeléctrico cerámico. El kit incluye un software GUI basado en Windows para explorar todas las características del MAX77501.

ToF para el conocimiento de la situación

El conocimiento de la situación puede ser un aspecto importante de los entornos de RV/RM/AR/XR. La plataforma de evaluación AD-96TOF1-EBZ soporta este aspecto al incluir una placa transmisora láser VCSEL y una placa receptora AFE para desarrollar funciones de percepción de profundidad ToF (Figura 5). Al emparejar esta plataforma de evaluación con una placa de procesador del ecosistema 96Boards o de la familia Raspberry Pi, se proporciona a los diseñadores un diseño de referencia que puede utilizarse para desarrollar el software y los algoritmos de implementaciones ToF específicas de la aplicación con altos niveles de granularidad 3D. El sistema puede detectar y localizar objetos en condiciones de luz ambiental intensa y dispone de varios modos de detección de alcance para optimizar el rendimiento. El kit de desarrollo de software (SDK) incluido proporciona envoltorios de OpenCV, Python, MATLAB, Open3D y RoS para mejorar la flexibilidad.

Figura 5: La plataforma de evaluación AD-96TOF1-EBZ permite desarrollar sistemas ToF de alto rendimiento para el conocimiento de la situación. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Conclusión:

Crear entornos inmersivos e interactivos para el metaverso es una tarea compleja y que requiere mucho tiempo. Para acelerar el proceso, los diseñadores pueden recurrir a una completa gama de soluciones compactas y energéticamente eficientes de Analog Devices, incluidas plataformas de desarrollo y evaluación para sistemas de detección biométrica, biorretroalimentación y conocimiento de la situación.

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