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Por su propia naturaleza, los dispositivos médicos portátiles deben tener un uso sencillo y ser capaces de funcionar en entornos estériles, así como ocupar poco espacio y consumir poca energía. 

 Estos dispositivos médicos también necesitan la suficiente capacidad de cálculo para procesar los datos médicos y han de ser conectables a interfaces inalámbricos o por cable para el registro y envío de datos. Desde el punto de vista del diseñador, estos requisitos exigen microcontroladores de bajo consumo y Controladores de Señal Digital (Digital Signal Controllers, DSC).

Los procesadores embebidos han posibilitado que los diseñadores construyan dispositivos compactos y de bajo consumo en un amplio abanico de aplicaciones médicas, entre ellas dispositivos implantados, dispositivos portátiles, dispositivos para uso doméstico y dispositivos de seguridad. Algunos ejemplos van desde comprobadores de la tensión sanguínea para farmacias hasta minúsculas cámaras inalámbricas miniatura que pueden fotografiar el interior de los intestinos de un paciente. En este artículo se muestra cómo los diseñadores pueden utilizar los microcontroladores y DSC de más reciente aparición en aplicaciones médicas portátiles.

Aspectos sobre el diseño de equipos médicos portátiles
Los diseñadores de sistemas se enfrentan a muchos retos que presenta la electrónica médica compacta y portátil. Por ejemplo, los recursos disponibles para el acondicionamiento de las señales médicas tienen una gran influencia sobre el coste final del instrumento médico. En la gama alta, considérese el diseño de un Electrocardio-grama (ECG), que es un instrumento complejo y caro. En principio, el ECG trabaja midiendo la señal eléctrica del corazón a medida que activa cada una de sus cuatro cavidades. Las sondas pegadas a la piel cerca del corazón detectan estas señales eléctricas que se procesan y representan gráficamente. Dado que las sondas se colocan en la piel del paciente, la señal está sujeta a degradación. Esto se soluciona generalmente instalando múltiples sondas sobre la piel cerca del corazón, para así obtener mejores señales. Posterior-mente, mediante la utilización de técnicas de filtrado digital basadas en firmware, se puede estimar la degradación de la señal mediante el software de análisis espectral disponible en las bibliotecas embebidas de la Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transform, FFT).

Pasemos ahora al diseño de señal digital. El número de sondas en un ECG viene determinado por los canales del convertidor A/D disponibles en un DSC que controla el instrumento. Por ejemplo, con los últimos DSC dsPIC® de Microchip, que proporcionan de 6 a 32 canales de conversión A/D, junto con otros periféricos útiles para el proceso de señales médicas, el coste de un instrumento ECG puede reducirse sustancialmente.

Los diseñadores de circuitos integrados han incorporado varias funciones de ahorro de energía en sus dispositivos (ver Figura 1) que proporcionan a los diseñadores de dispositivos médicos el control sobre el consumo de energía. Algunos ejemplos son los modos de reposo (idle), dormido (sleep) y en espera (doze), que proporcionan a los diseñadores una considerable flexibilidad para escalar el consumo de energía. Cuando se utilizan estos dispositivos en aplicaciones médicas, los controladores del sistema pueden permanecer en un estado de bajo consumo durante la mayor parte del tiempo, para reactivarse periódicamente bajo una interrupción del temporizador con el fin de ejecutar el código de programa.

Métodos para la reducción del consumo de energía
Los diseñadores han de ser conscientes de que el ahorro de energía sólo se puede lograr en los sistemas portátiles si el microcontrolador controla la energía empleada por los periféricos internos y externos. Intente dividir el diseño en función del consumo de energía cuando está en funcionamiento. Al diseñar el dispositivo médico portátil, determine los estados de trabajo requeridos y diseñe de manera que se desconecte la circuitería innecesaria. Si un simple periférico del dispositivo médico consume la mayor parte de la energía, la preocupación por la reducción de la energía que consuma el microcontrolador no influirá sobre el consumo total del sistema.

Desconecte los periféricos cuando no los necesite. Por ejemplo, la función BOR (Brown-out Reset) no es necesaria en aplicaciones alimentadas por baterías. Por otro lado, puede desconectar la CPU utilizando una instrucción de reposo o idle (ver Figura 2) y que los periféricos sigan trabajando, como ocurre en la familia PIC18F de microcontroladores nanoWatt de Microchip.

Se puede ir incluso un paso más allá en el ahorro de energía: recurriendo al estado dormido el consumo de energía puede reducirse hasta en un 96%. En una clase de sistemas médicos portátiles que incorporen un sensor, un dispositivo de almacenamiento y una batería, el dispositivo de almacenamiento y el sensor pueden estar alimentados en todo momento. Esto provoca el gasto innecesario de energía en el sistema. Al apagar estos periféricos bajo el control del microcontrolador, y utilizando las líneas de E/S del microcontrolador, se pueden alimentar el dispositivo de almacenamiento y el sensor sólo cuando se necesita.

Reloj bajo control
Cuando se trata de aplicaciones de bajo consumo, el tiempo de arranque del oscilador juega un papel crucial en el consumo de energía del microcontrolador. Durante el arranque, mientras el oscilador se estabiliza, el microcontrolador, aunque esté en reposo, sigue consumiendo energía. El tiempo de arranque del oscilador depende de muchos factores, entre ellos el cristal, los condensadores de carga, el entorno del sistema y el modo del oscilador, entre otros. A velocidades más bajas de reloj, un oscilador de baja frecuencia utiliza menos energía mientras trabaja, pero requiere un mayor tiempo de arranque, lo cual afecta significativamente al consumo de energía del sistema.

La elección de un microcontrolador que incorpore un temporizador de arranque del oscilador ayuda a asegurar un arranque adecuado y permite ajustar el tiempo adecuado para iniciar las oscilaciones. El temporizador del oscilador contribuye a que el microcontrolador ejecute el código con precisión, asegurando un arranque estable del oscilador. Como inconveniente, se alarga el tiempo que necesita cada ciclo de arranque. La solución al problema del tiempo de arranque del oscilador es la capacidad de incorporar un arranque de oscilador de dos velocidades, en función del cual se pueda conmutar a una frecuencia interna del oscilador más rápida durante el arranque. Con los microcontroladores avanzados, se puede seleccionar entre dos fuentes internas del reloj: un oscilador de 8 MHz configurable por software para el funcionamiento normal y un oscilador de 31 kHz para un bajo consumo del oscilador. Al utilizar estos microcontrolador, la frecuencia de reloj se puede conmutar sobre la marcha, permitiendo así la transición entre relojes externos y osciladores internos sin retardo en la ejecución de código y, por tanto, conservando un valioso tiempo de “subida” en los dispositivos médicos de bajo consumo.

Configuración de las líneas de E/S como analógicas o digitales
Al observar que cada línea de señal en un dispositivo portátil consume energía, los diseñadores han de ser creativos para manejar las patillas de E/S bidireccionales del microcontrolador. Esto se debe a que algunas de estas patillas de E/S pueden manejar entradas analógicas. Al prestar especial atención a las señales aplicadas a estas patillas, los diseñadores pueden asegurar que se consuma la menor cantidad de energía. Dado que las entradas analógicas ofrecen una elevada impedancia, consumen muy poca corriente. En concreto, consumirán menos corriente que la entrada digital cuando la tensión aplicada se centre entre VDD y VSS. Donde sea posible, la configuración de las patillas compartidas digital/analógica como entrada analógica permite ahorrar energía al forzar la entrada digital a un estado de bajo consumo. Intente controlar los circuitos externos mediante salidas digitales; no hay consumo de corriente adicional por parte de una patilla de salida digital aparte de la corriente suministrada para alimentar el circuito externo.

La configuración de las patillas de puertos no utilizados como una patilla de salida que controla cualquier estado (alto o bajo), o dejándolas configuradas como entradas con una resistencia interna que los lleve a VDD o VSS, también permite ahorrar energía. Cuando se configuran como entradas, tan sólo la corriente de fuga de la entrada de la patilla circulará por esa patilla; la misma corriente circula si la patilla fuera a conectarse directamente a VDD o VSS. Esta técnica ofrece la flexibilidad de utilizar la patilla como entrada o como salida, sin necesidad de introducir otros cambios en el hardware.

Ahorro de energía mediante la previsión de energía
La previsión de la energía consumida es una técnica que permite a los diseñadores calcular el consumo de energía y estimar la vida de la batería en una aplicación portátil. Se puede empezar por estudiar el funcionamiento del sistema y visualizar los estados que exigen el funcionamiento del dispositivo al completo. A continuación, y simplemente observando las aplicaciones del equipo médico portátil como operaciones de adquisiciones de datos, los siguientes modos se hacen evidentes en el funcionamiento del sistema: dormido (sleep), adquisición de datos (acquire data), escalado de datos (scale data) y almacenamiento (store).

Ahora se puede estimar el tiempo que necesita cada modo mediante un estudio cuidadoso del programa de control. Utilizando la hoja de datos del fabricante, se puede obtener la corriente consumida por cada dispositivo del sistema. Luego se calcula la cantidad de carga consumida en cada estado multiplicando la corriente total en cada estado por la duración de ese estado durante cada ciclo del bucle. A partir de esta previsión de energía se puede calcular fácilmente el tamaño de la batería necesaria para cumplir los requisitos de la aplicación mediante esta fórmula: Corriente media = Carga Total/Tiempo Total. Si se detecta que se está gastando demasiada energía en un cierto estado, hay que intentar reducir el consumo de energía en ese estado.

Mecanismos de seguridad en diseños médicos portátiles
La seguridad es prioritaria en las aplicaciones médicas, y eso implica que los diseñadores del sistema consideren situaciones de emergencia que pueda experimentar un equipo debido a la pérdida de energía o de control del programa. Podría ocurrir que la pérdida de una fuente de reloj activara una ejecución errónea de un programa de control de producto. Los suministradores de microcontroladores proporcionan diversos mecanismos que aseguran un funcionamiento seguro y previsible de un microcontrolador dentro de un sistema. En ciertos microcontroladores, los diseñadores pueden contar con la ventaja de una función de monitorización de reloj a prueba de fallos para detectar la pérdida de una fuente de reloj. Cuando se detecta una pérdida de reloj, el oscilador interno del microcontrolador suministrará señales de reloj al sistema, ayudando así a que éste se desconecte de forma correcta o bien que permanezca en modo de “supervivencia”, en el caso de que no se desee desconectarlo.

Conclusión
Mediante la utilización de los controladores de disponibilidad más reciente, los diseñadores pueden introducir técnicas de gestión de energía y construir dispositivos médicos portátiles de coste económico. La minimización del consumo de energía en los dispositivos médicos permite el uso de baterías más pequeñas. Además, al utilizar controladores de bajo coste es más factible el diseño de equipos médicos que pueden desecharse después de un determinado número de usos.


Nota: El nombre y el logo de Microchip, dsPIC y PIC son marcas registradas de Microchip Technology Inc. en EE.UU. y en otros países. Las restantes marcas citadas pertenecen a sus respectivas compañías.

Autor:

Steve Kennelly. Responsable del Grupo de Productos Médicos.
Microchip Technology Inc.

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