Разработкой электроники занимаюсь уже более 10 лет, но как-то так получилось, что первый проект в области медицины у меня появился только в прошлом году и после этого я уже с этой темы «не слазил». Как водится в таких случаях, разработку было решено начинать с изучения прототипов. В этой статье хочу поделиться побочными результатами реверсинженеринга плода одного телемедицинского стартапа с китайскими корнями — электронного стетоскопа. Если вам интересно, что скрывают внутренности типичного представителя стартапов в области телеметрии, запущенных в начале 2010-ых годов и почему было выбрано именно такое схемотехническое решение, милости прошу под кат.
Cтетоскоп представляет собой медицинский прибор, предназначенный для прослушивания внутренних органов и выявления наличия в них шумов. Применяется для исследования практически всех внутренних органов, в том числе бронхов, кишечника, сердца, сосудов. Классический стетоскоп состоит из трех соединенных между собой объектов: головки (прикладывается к телу пациента), трубки (проводящей звук) и наконечников (позволяют врачу услышать шумы). Сам процесс «выслушивания» звуков тела в медицине часто называют красивым словом Аускультация. Электронные стетоскопы позволяют непросто «выслушивать» звуки, они могу записывать их в файлы, визаулизировать и даже анализировать.
Не смотря на то, что стартовали ребята со своим проектом в Австралии, поднять первый раунд инвестиций им удалось только в Китае. С учётом того, что костяк команды был родом из «Вечной Империи», а Китай имеет серьёзную государственную программу помощи стартапам, это совсем не удивительно. Однако, мы отвлеклись, темой этой статьи является внутреннее устройство прибора, а не история развития стартапа. Об этом, возможно, в следующий раз.
Заглянем внутрь упаковки
Заглянув внутрь, на редкость качественной картонной упаковки, мы обнаружим приятный на ощупь чехольчик с двумя девайсами. Тот, что побольше и вытянут как крокодил — бесконтактный термометр. Круглый же — наш сегодняшний пациент, стетоскоп.
С градусником ребята сильно промахнулись — мало того, что стабильность измерений у него оказалась крайне низка, так ещё и надёжность работы подкачала. Для реверсинженеринга мы купили бывший в употреблении прибор и бесконтактный градусник в нём оказался неисправным. Так что сосредоточим своё внимание на стетоскопе. Для начала присмотримся к соединительному кабелю.
Можно заметить, что с одной стороны он заканчивается аудиоджеком, а с другой microUSB разъёмом. Почему проще понять, если мысленно перенестись в 2012 — год появления стартапа на свет. В те времена на Кикстартере можно было найти огромное количество самых разнообразных приборов, подсоединяемых к гаджету столь экзотическим способом.
Все они были рассчитаны, прежде всего, на работу с тогдашним поколением iPhone. USB разъёма он не имел, а организация передачи сигнала по беспроводным каналам с ним была крайне затруднена. Поэтому, гаджеты подсоединяли по аудиокабелю, через разъём для гарнитуры, а обмен командами осуществлялся с помощью аудиосигналов, кодированных частотой и длительностью посылок. Именно такой принцип связи задействован и в нашем подопытном. Пора, однако, заглянуть ему под капот!
Пора переходить к деталям
Литой металлический корпус состоит из двух соединённых резьбой половинок. Внутри корпуса расположены две платки. Одна из них недостойна нашего внимания — не ней расположен лишь держатель трёхвольтового элемента питания, а вот вторую стоит рассмотреть подробнее и даже с двух сторон.
С левой стороны плат видим microUSB разъём. Выбор на него пал потому, что он гораздо меньше по размеру стандартного аудиоджека диаметром 3.5 мм. Справа изображена верхняя часть платы. На ней расположены многочисленные блокирующие питание ёмкости и защитные элементы в трёхвыводных корпусах SOT23, напоминающих транзисторы. Вспомним, что мы как никак имеем дело с медицинским прибором, и даже простейший уровень сертификации требует их наличия.
Сердцем, а по совместительству и ухом, данного прибора безусловно является микрофон. Дешёвый электретный, который аналогично микрофону гарнитуры можно запитать от телефона, тут использовать не получится. Полезная информация звуковых сигналов, поступающих на гарнитуру стетоскопа/фонендоскопа лежит в пределах от 20 Гц до Гц 600. Нижний диапазон ограничен частотными свойствами уха, верхний максимальной частотой, в которой располагаются шумы сердца и внутренних органов. Найти малогабаритный микрофон с такой частотной характеристикой не просто. В данном устройстве был использован аналоговый микрофон, изготовленный по MEMS технологии. Сигнал с него, без всякого дополнительного усиления, поступал в аудиотракт смартфона. Микрофон был заботливо прикрыт резиновой прокладкой, которую я снял для лучшего обзора.
Для удобства, я присвоил ключевым компонентам цифры, и изобразил ниже сильно упрощённую функциональную схему устройства.
Казалось бы, достаточно поставить микрофон с батарейкой и не усложнять всё дополнительными чипами. Однако, даже в отсутствии входного сигнала, тока потребления микрофона достаточно, чтобы разрядить батарейку за несколько дней. Конечно, можно было бы установить на корпус прибора малогабаритный механический выключатель, но это не путь джедаев, прежде всего потому, что его легко забыть выключить или наоборот случайно включить. В результате, в момент, когда вам срочно необходимо будет прослушать лёгкие больного, прибор окажется в неработоспособном состоянии. Для медприложений это совсем не гуд, можно даже сказать больше — недопустимо.
Пришлось нашим китайцам, скрипя сердцем, пойти на усложнение схемы. Первым делом они добавили микроконтроллер из серии STM32L с ультранизким потреблением 1.(о низкопотребляющих микроконтроллерах можно почитать в одной из моих предыдущих статей) Затем установили стабилизатор напряжения в цепь питания микрофона 2 и в заключении разорились ещё и на чип аналогового коммутатора.
На управляющий микроконтроллер возложены следующие функции:
- Подача питания на микрофон
- Определение уровня напряжения питания батареи и, в случае необходимости, формирование сигнала о скором её разряде
- Детектирование управляющего синусоидального аудио сигнала со смартфона
- Генерация аналогового синусоидального сигнала для процесса обмена данными со смартфоном
- Переключения линии аналогового сигнала, который поступает на микрофонный вход смартфона
Принцип работы устройства весьма прост
После того, как пользователь прикладывает стетоскоп к телу человека, он нажимает на кнопку, расположенную на экране смартфона. Смартфон посылает управляющую звуковую последовательность, в которой закодировано время прослушивания. Она поступает на компаратор микроконтроллера. Почувствовав перепад напряжения на своём входе, микроконтроллер по прерыванию выходит из состояния глубокого сна, дешифрирует входной сигнал и посылает на микрофонный вход телефона ответную звуковую последовательность, содержащую информацию об уровне заряда батареи. После этого, микроконтроллер на заданное время подаёт питание на микрофон и переключает аудиокоммутатор в режим передачи сигнала с микрофона на микрофонный вход телефона. По окончанию заданного периода времени, всё возвращается в исходное состояние и микроконтроллер погружается в глубокий сон.
Смартфон с помощью встроенного ПО записывает аудиосигнал в виде файла в собственную память. В дальнейшем его можно прослушать, просмотреть на экране смартфона и даже передать в облака для анализа и детальной обработки.
Недостатки устройства
Как и многие медтех стартапы “первой волны”, к которой я отношу проекты запущенные в начале 2010-ых, этот в конечном итоге потерпел крах. Впрочем, подробному анализу причин взлётов и падений медицинских стартапов того поколения, есть задумка посвятить мою следующую статью.
В этой отмечу лишь очевидные просчёты, связанные с техническим исполнением.
В качестве небольшой зарядки для ума предлагаю найти явные промахи самим, а потом открыть спойлер и сравнить с теми,
С учётом того, что для запуска этого процесса следует нажать на виртуальную кнопочку, расположенную на сенсорном экране смартфона, удобным в использовании его назвать сложно. Ещё сложнее, по очень маленькой картинке на экране, понять в правильное ли место ты приложил стетоскоп, ведь аудиоканал телефона занят и наушники не подключишь, а малогабаритные встроенные динамики телефона не способны воспроизводить звук в столь низкочастотном диапазоне. Проводное соединение стетоскопа и гаджета не только неудобно — оно ненадёжно. Со временем надёжность и качество контакта неминуемо будет ухудшаться. Ну и наконец, качество оцифровки звука весьма сильно будет зависеть от типа гаджета. Микрофонный вход большинства телефонов и планшетов предназначен в первую очередь для поддержки гарнитур, его АЧХ имеет сильный завал в низкочастотной области спектра и может вносить существенные искажения для сигналов в этой области. Дорогие модели будут справляться с задачей лучше, более дешёвые существенно хуже. Соответственно, один и тот же стетоскоп в с разными телефонами будет выдавать разные результаты.
В заключении, большая просьба уделить несколько секунд на маленький, но важный для меня опрос. Спасибо.
Автор: Шульгин Олег Анатольевич
