Biosenzory nejsou žádnou novinkou. V podstatě se jedná o tradiční senzory jako jsou teploměry, vlhkoměry nebo barometry, ale jsou schopny sledovat také biologické signály jako je srdeční tep, dýchání nebo mozková aktivita. Lékařské aplikace vyžadují extrémní přesnost, spolehlivost a musí splňovat přísné předpisy. Například inteligentní hodinky si mohou dovolit vynechat sledování několika kroků, aniž by to mělo nějaký následek. Totéž ale zdaleka neplatí pro lékařský EKG nositelný senzor, kde nepravdivá data mohou vést ke špatným rozhodnutím lékaře. 

Aby se zajistila přesnost a spolehlivost, tak biosenzor ST1VAFE3BX nebo ST1VAFE6AX obsahují vertikální analogový front end (vAFE) kombinovaný s akcelerometrem s extrémně nízkou spotřebou. Jak název napovídá, vAFE je analogový obvod uvnitř integrovaného obvodu, který zesiluje a filtruje informace zachycené snímacím prvkem za účelem detekce biologických signálů pro specifické aplikace jako je např. EKG.

Vertikální analogový front end vAFE není žádnou novinkou v portfoliu ST. Dříve se využíval pro snímání dotyků nebo pohybových gest. Proč tuto technologii nevyužít pro připojení elektrod v diferenciálním režimu a detekovat tak mnohem složitější signály.

Zatímco vAFE umožňuje detekci biologických signálů, inerciální senzor poskytuje další důležité informace o pohybu. Jádro strojového učení pak má k dispozici ucelenou sadu dat a může tak nabídnout velmi přesné výsledky. Například, když se osoba s přenosnou aplikací pohybuje, akcelerometr to detekuje a může to dát do kontextu s naměřenými daty z biosenzoru. Poprvé v tomto odvětví se tedy biologické snímání, inerciální snímání a umělá inteligence spojila. Tím se otevírají dveře pro nové typy zdravotnických produktů.

Umístěním biosenzoru na hrudník, zápěstí nebo hlavu lze měřit změnu srdeční frekvence, a tím identifikoval stres a únavu. V kombinaci s IMU senzorem lze vytvořit systém, který odhalí, zda sportovcům hrozí otřes mozku. Kromě typického elektrokardiogramu může senzor fungovat také v elektroencefalografii (EEG), seismokardiografii (SCG) a elektroneurografii (ENG).

Biosenzor umožňuje měřit velmi citlivé osobní informace a tak je nutné při návrhu zařízení myslet také na zabezpečení biologických dat a ochranu soukromí uživatelů.

Biosenzor ST1VAFE3BX

Biosenzor ST1VAFE3BX obsahuje kanál vAFE pro detekci biosignálů a vysoce výkonný 3osý digitální akcelerometr pro sledování pohybu. vAFE umožňuje čtení analogových signálů, které se doplňují signály z akcelerometru čili údajům o pohybu. Signály vAFE a údaje o pohybu jsou vnitřně synchronizovány, takže výsledkem je jedinečná kontextová analýza přímo v čipu. Tím se dosáhne velmi nízké spotřeby a minimální latence. 

Pro zpracování dat se využívá konečný automat (FSM - Finite State Machine), adaptivní autokonfigurace (ASC - Adaptive Self Configuration ) a strojové učení (MLC – Machine Learning core) s exportovatelnými funkcemi či filtry umělé inteligence. Pro komunikaci s mikrokontrolerem je k dispozici rozhraní I2C/SPI/MIPI I3C a vestavěný 128-level FIFO buffer. Zabudovaný akcelerometr má uživatelsky volitelné stupnice ±2g/±4g/±8g/±16g a je schopen měřit zrychlení s výstupními datovými rychlostmi od 1.6 Hz až 800 Hz.

ST1VAFE3BX má vyhrazený engine pro detekci specifického pohybu či zrychlení jako je volný pád, probuzení, rozpoznání jednoho, dvojitého nebo trojitého klepnutí, aktivity/neaktivity nebo 6D/4D orientace. To vše je umístěno do LGA pouzdra o velikosti 2,0 x 2,0 x 0,74 mm s garancí funkčnosti v rozšířeném teplotním rozsahu od -40 °C do +85 °C.

Vlastnosti ST1VAFE3BX:

• Duální kanály pro detekci biopotenciálního signálu a sledování pohybu
• Rozsah napájecího napětí od 1,62 V do 3,6 V
• Ultranízký napájecí proud je 50 µA (typ.), V režimu vypnutí: 2,2 µA
• Detekce biopotenciálního signálu s analogovým rozbočovačem
• Vestavěné FIFO: až 128 vzorků dat akcelerometru a analogového rozbočovače / vAFE nebo 256 vzorků dat akcelerometru při nízkém rozlišení
• Vysokorychlostní digitální výstupní rozhraní I²C/SPI/MIPI I3C
• Pokročilý krokoměr, detektor kroků a počítadlo kroků
• Rozměry ST1VAFE3BX: 2,0 x 2,0 x 0,74 (max) mm, LGA 12 vývodů
• 10000 g vysoká odolnost proti nárazu
• Vyhovuje ECOPACK a RoHS

Integrovaný front end vAFE s programovatelným ziskem a 12bitovým rozlišením ADC spolu s maximální výstupní datovou rychlostí 3200 Hz je dostačující pro širokou škálu měření biosignálů od srdeční, mozkové a svalové aktivity. Napájecí napětí se pohybuje od 1,62 V do 3,6 V a během úsporného režimu lze typický provozní proud snížit z 50 µA na 2,2 µA. Pokročilé funkce krokoměru umožňuje výrobcům wellness a zdravotnických zařízení zahrnout funkce jako je elektrokardiografie (EKG), elektroencefalografie (EEG), seismokardiografie (SCG) a elektroneurografie (ENG).

Biosenzor ST1VAFE6AX

Kromě výše uvedeného biosenzoru ST1VAFE3BX, je k dispozici také biosenzor ST1VAFE6AX, který obsahuje také front end vAFE pro detekci biosignálů, ale navíc má 6osou IMU jednotku s vysoce výkonným 3osým digitálním akcelerometrem a 3osým digitálním gyroskopem pro sledování pohybu včetně integrovaného teplotního senzoru. Dále obsahuje pokročilé funkce jako je konečný automat FSM, SFLP (sensor fusion low power), adaptivní autokonfigurace (ASC) a jádro strojového učení (MLC) s exportovatelnými funkcemi/filtry AI. ST1VAFE6AX je umístěn taktéž v LGA pouzdře, ale o rozměrech 2,5 x 3,0 x 0,71 mm.

Jak rychle postavit prototyp?

K vytvoření prototypu lze využít SensorTile.box PRO nebo Professional MEMS Board STEVAL-MKI109V3. Toto je nejjednodušší, nejrychlejší a cenově nejvýhodnější způsob experimentování s ST1VAFE3BX. Uživatelé mohou okamžitě spustit aplikaci pro měření EKG a položit prsty na demo desku. Testování schopností nového zařízení je tedy možné během několika minut.

ST také nabízí softwarové nástroje jako MEMS Studio v ST Edge AI Suite, který obsahuje například nástroje pro nastavení rozhodovacích algoritmů v MLC.

Více informací naleznete na https://www.st.com/en/mems-and-sensors/st1vafe3bx.html