BIOSIP - Mikroukładowa technologia pomiaru parametrów psychofizjologicznych w warunkach dynamicznych

Umowa z NCBR Nr PBS1/B3/13/2012 z dnia 30.11.2012 o wykonanie i finansowanie Projektu realizowanego w ramach Programu Badań Stosowanych w ścieżce B

Okres realizacji: 01.10.2012 – 30.04.2016

Konsorcjum projektu: Instytut Techniki i Aparatury Medycznej – ITAM (Lider), Wojskowy Instytut Medycyny Lotniczej – WIML, Politechnika Warszawska – PW, Instytut Technologii Elektronowej – ITE, FONON Sp. z o. o. (Partner przemysłowy)

 

  

  

Kierownik Projektu po stronie Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej: 
prof. nzw. dr hab. inż. Witold Pleskacz

Wykonawcy Projektu z Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej:

  • układy analogowe i analogowo-cyfrowe:  Krzysztof Siwiec, Paweł Narczyk, Tomasz Borejko, Jakub Kopański, Piotr Boguszewicz, Aleh Halauko
  • mikrokontroler ADELIT i układy peryferyjne: Krzysztof Marcinek, Andrzej Wielgus, Maciej Plasota

 

  

Zintegrowany jednoukładowy system elektroniczny typu SoC (ang. System on Chip) zawiera innowacyjne rozwiązania analogowych, analogowo-cyfrowych i cyfrowych bloków przetwarzania sygnałów umożliwiając pomiar szerokiej gamy parametrów psychofizjologicznych. Poza analogowymi torami pomiarowymi oraz przetwornikami analogowo-cyfrowymi układ scalony BioSoC wyposażony jest w 32-bitowy mikroprocesor Adelit. Pozwala on na jednoczesną akwizycją i przetwarzanie wszystkich parametrów w czasie rzeczywistym. Układ ten odpowiada na potrzeby rynku związane m.in. z dynamicznie rozwijającym się obszarem tzw. technologii ubieralnych (ang. wearables). Prognozuje się, że rynek technologii ubieralnych na świecie będzie warty ponad 41 miliardów dolarów amerykańskich w roku 2020 (wg. analizy Soreon Resaerch).

W układzie BioSoC zintegrowane zostały analogowe tory pomiarowe do akwizycji elektrokardiogramu EKG (aktywność elektryczna serca), elektromiogramu EMG (aktywność elektryczna mięśni), temperatury ciała człowieka, rezystancji skóry (analiza poziomu stresu) i częstości oddechu. Zbierane sygnały konwertowane są do postaci sygnału cyfrowego w przetwornikach analogowo-cyfrowych o rozdzielczościach 16 bitów i 12 bitów. Dodatkowo dzięki integracji mikrokontrolera oraz cyfrowych interfejsów komunikacji (UART, SPI i I2C) istnieje możliwość podłączenia do układu dodatkowych zewnętrznych czujników cyfrowych. Cały układ został zrealizowany w technologii CMOS 130 nm, wyprodukowany i scharakteryzowany (układ BioSoC w obudowie JLCC 84 przedstawiono na zdjęciu). Wyniki pomiarów potwierdziły poprawność działania wszystkich komponentów, jak również całego systemu scalonego.

Układ BioSoC pozwala na łatwe budowanie miniaturowych urządzeń do monitorowania stanu zdrowia człowieka. Dzięki wysokiej skali integracji wymagana jest minimalna liczba elementów dodatkowych. Integracja torów analogowych wraz z mikrokontrolerem minimalizuje liczbę połączeń i interfejsów komunikacyjnych niezbędnych do budowy urządzenia. Skutkuje to znaczącym obniżeniem poboru mocy oraz wzrostem niezawodności pracy urządzenia.

Dzięki zdobytemu know-how oraz doświadczeniu grupy naukowców i inżynierów z laboratorium ADEC (ang. ASIC Design Education Center) jesteśmy w stanie opracować dedykowane układy scalone ASIC (ang. Application Specific Integrated Circuit) zawierające wszystkie, bądź wybrane tory przetwarzania sygnałów w różnych dostępnych technologiach wytwarzania układów scalonych. Dodatkowo ze względu na wykorzystanie własnej autorskiej architektury mikrokontrolera istnieje możliwość konfiguracji jego parametrów, takich jak: rozmiar pamięci danych i programu, rodzaj układów peryferyjnych, liczba rdzeni obliczeniowych. Możliwość opracowania dedykowanej struktury krzemowej pozwala na dalszą redukcję wymiarów oraz poboru mocy urządzenia co jest kluczowe w przypadku rynku technologii ubieralnych.

 

PARAMETRY TECHNICZNE UKŁADU BioSoC:

  • Pomiar parametrów psychofizjologicznych
    • Elektrokardiografia (EKG)
    • Elektromiografia (EMG)
    • Temperatura ciała
    • Rezystywność skóry (Bioimpedancja)
    • Częstość oddechu
  • Mikrokontroler Adelit
    • Jeden wysokowydajny 32-bitowy rdzeń obliczeniowy
    • 32 KB pamięci programu
    • 32 KB pamięci danych
    • Kontroler przerwań
    • Jednostka „debugera”
    • Liczniki
    • Wartownik (ang. watchdog)
    • Zegar czasu rzeczywistego
    • 16 portów we/wy ogólnego przeznaczenia
    • 2 interfejsy UART
    • 2 interfejsy SPI
    • Interfejs I2C
  • Obszary zastosowań
    • Monitorowanie osób pracujących w trudnych i stresujących warunkach, np: piloci, kierowcy, strażacy, górnicy, hutnicy, maszyniści kolejowi, operatorzy maszyn i dźwigów
    • Monitorowanie stanu zdrowia osób starszych i dzieci na odległość (telemedycyna)
    • Rejestracja parametrów psychofizjologicznych podczas treningu
    • Monitorowanie osób z grupy wysokiego ryzyka nagłego zgonu sercowego

 

Projekt BIOSIP w maju 2017 r. został wyróżniony Soczewką FOCUSA 2016. Po stronie Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki wykonawcami układu BioSoC były następujące osoby: Krzysztof Siwiec, Krzysztof Marcinek, Paweł Narczyk, Tomasz Borejko, Andrzej Wielgus, Maciej Plasota, Jakub Kopański, Piotr Boguszewicz, Aleh Halauko i Witold Pleskacz.