El diseño de interfaces de bienestar biosensible portátil es complicado; estos kits de desarrollo son un salvavidas.

Puede que no se haya dado cuenta, pero ya conoce bien al ingeniero aeroespacial Edward Murphy. Trabajó en sistemas críticos para la seguridad, pero cualquier bioingeniero puede identificarse con el adagio de que cualquier cosa que pueda salir mal, saldrá mal. Incluso en sistemas aparentemente sencillos en los que existe un buen conocimiento y comprensión de cada una de las piezas individuales, ponerlas todas juntas puede producir algo mucho menor que la suma de sus partes.

Es probable que se familiarice muy bien con este fenómeno, y con la Ley de Murphy, si está creando un diseño personalizado para un dispositivo portátil de salud y ejercicio que pueda brindar mediciones precisas.

Los conceptos detrás de la medición de los signos vitales mediante un fotopletismograma (PPG) o electrocardiograma (ECG) ciertamente se comprenden bien. Los ingenieros saben que pueden encontrar la frecuencia cardíaca derivada del PPG midiendo los cambios en el volumen sanguíneo en los vasos sanguíneos periféricos o determinando la frecuencia cardíaca derivada del ECG al monitorear la actividad bioeléctrica generada por el músculo cardíaco. Entienden la teoría simple detrás de la estimación de la saturación de oxígeno periférico (SpO2) aprovechando la diferencia en los espectros de absorción de la oxihemoglobina frente a la desoxihemoglobina. Los ingenieros también se están familiarizando con capacidades de medición más sofisticadas, como el uso del tiempo de tránsito de pulso (PTT) o el tiempo de llegada de pulso (PAT) para construir monitores de presión arterial sin manguito.

Estas diversas medidas se basan en cadenas de señales similares de amplificadores y filtros para acondicionar las señales de los sensores enviadas a un conversor analógico-digital (ADC). Con los datos convertidos, un microcontrolador (MCU) ejecuta algoritmos bien documentados para generar valores de frecuencia cardíaca, SpO2, presión arterial y más.

Adquirir bioseñales limpias

Los desarrolladores pueden aprovechar una gran cantidad de dispositivos de baja potencia y alta precisión para crear cadenas de señales personalizadas y subsistemas de procesamiento para diferenciar sus productos de salud y ejercicio. En la mayoría de los casos, sin embargo, la disponibilidad de biosensores comerciales especializados elimina la necesidad de construir su propia cadena de señal de biosensores para estas aplicaciones.

Los dispositivos como MAX86140 y MAX86141 de Analog Devices están diseñados específicamente para métodos de PPG ópticos. Para mediciones de ECG biopotenciales, MAX30003, AD8232A, y AD8233A de Analog Devices implementan las cadenas de señales requeridas. Los ADPD4100 y ADPD4101 de Analog Devices pueden admitir ambos tipos de medidas. Estas interfaces analógicas multimodales (AFE) integran un par de cadenas de acondicionamiento de señales multicanal que comprenden un amplificador de transimpedancia (TIA), un filtro de banda pasante (BPF), un integrador y un ADC.

Los desarrolladores pueden utilizar este AFE como base para las mediciones de ECG de derivación única basadas en bioelectricidad (Figura 1, izquierda) y las mediciones de PPG basadas en ópticas (Figura 1, derecha), ya que es muy adecuado para dispositivos portátiles de consumo.

Figura 1: Los AFE ADPD4100 y ADPD4101 de Analog Devices admiten mediciones de PPG (izquierda) y ECG (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Estos biosensores especializados ayudan a acelerar el desarrollo, pero no lo resguardan de todas las cosas que pueden salir mal cuando de sistemas biológicos se trata. Los artefactos impredecibles (pero no inesperados) como las fuentes ambientales transitorias y la falta de homogeneidad de la piel afectan a la PPG, mientras que la interferencia electromagnética (EMI) y una gran cantidad de fuentes de señales eléctricas fisiológicas como la contracción del músculo esquelético complican el ECG (el impacto de estos diversos artefactos en la relación señal/ruido [SNR] a veces puede ser abrumador, como descubrí durante la investigación de mi tesis. Tuve que retrasar mis objetivos principales para construir una especie de subsistema basado en aprendizaje automático [ML] solo para adquirir bioseñales limpias).

Dada la naturaleza de los sistemas biológicos, incluso con una comprensión completa de la teoría detrás del PPG, ECG, PAT/PTT y otros métodos biofísicos, los desarrolladores pueden descubrir que diseñar un dispositivo portátil de salud o ejercicio no es tan fácil como pudiera parecer. Si se enfocan solo en sus cadenas de señales y algoritmos, los desarrolladores pueden encontrar fácilmente su propio trabajo desviado por la necesidad de lidiar con los caprichos de adquirir bioseñales limpias.

Sin embargo, al usar kits de desarrollo de biosensores, los desarrolladores pueden construir prototipos rápidos para comenzar a explorar los efectos de diferentes longitudes de onda de luz, la colocación de electrodos o las muchas otras oportunidades para optimizar la adquisición de bioseñales (o simplemente para que funcione en primer lugar).

Kits especializados para la creación de prototipos de dispositivos portátiles de bienestar

Los kits como el kit de evaluación EVAL-ADPD4100Z-PPG y la banda del sensor de salud MAXREFDES103 # de Analog Devices están diseñados específicamente para acelerar el desarrollo de dispositivos portátiles de bienestar. Durante el desarrollo, el EVAL-ADPD4100Z-PPG se programa utilizando la placa base basada en microcontroladores Cortex-M3 EVAL-ADPDUCZ de la empresa conectada a través del puerto microconector USB de la placa del kit. Después de desconectar el cable USB, los desarrolladores pueden probar sus diseños en el sitio colocando las pulseras proporcionadas a través de los recortes en la placa (Figura 2).

Figura 2. La placa de evaluación EVAL-ADPD4100Z-PPG de Analog Devices se puede usar en la muñeca para estudiar las condiciones de biosensores del mundo real. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El kit MAXREFDES103# combina un subsistema de sensor basado en el biosensor MAX86141 con un subsistema de host completo basado en el MCU MAX32630 en un paquete portátil prediseñado. Junto con los botones y un diodo emisor de luz (LED) de color para mostrar el estado del dispositivo, el paquete portátil proporciona un conector USB tipo C para conectar una placa adaptadora proporcionada para las actualizaciones de firmware (Figura 3).

Figura 3: El diseño de referencia de salud MAXREFDES103# incluye un dispositivo portátil para estudiar aplicaciones de biosensores en el campo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Quizás lo más importante es que cada kit viene con un paquete de software para analizar los datos medidos, lo que permite a los desarrolladores estudiar las formas de onda generadas durante la medición continua bajo diferentes configuraciones de detección y examinar el impacto de artefactos intencionales o accidentales. El software de evaluación Wavetool de Analog Devices permite a los desarrolladores ejecutar EVAL-ADPD4100Z-PPG en diferentes modos de aplicación, incluidos los modos SpO2 y ECG.

El paquete de software de diseño de referencia MAXREFDES103# de Analog Devices incluye su aplicación DeviceStudio, que permite a los desarrolladores configurar el biosensor y los algoritmos integrados para la frecuencia cardíaca y la SpO2. También está disponible la plataforma de sensores de salud de la empresa, una aplicación de Android que proporciona algoritmos adicionales para la calidad del sueño, la frecuencia respiratoria y la variabilidad de la frecuencia cardíaca (VFC). Esta última métrica ha ganado especial atención por parte de la comunidad médica como una forma no invasiva de monitorear los cambios en el sistema nervioso autónomo de una persona.

Conclusión

El diseño de cadenas de señales biosensibles para dispositivos portátiles desde cero no es para los débiles de corazón. Sin embargo, si decide construir la suya propia, los kits de desarrollo especializados que se describen aquí pueden servir como un salvavidas vital a medida que avanza a través de los desafíos muy reales asociados con la biodetección.