Savox-1

Savox 1: korvanappi happisaturaation mittaukseen

Pienentyneet pulssioksimetrit ja niiden seurauksena kasvava “wearable health” -trendi mahdollistavat helpon, ei-invasiivisen sykkeen ja happisaturaation mittauksen. Nämä ovat erittäin hyödyllisiä terveydentilan indikaattoreita useille viranomaisille. Happisaturaation muutokset näkyvät pään verenkierrossa hieman ennen raajoja, mistä syystä mittaus korvakäytävästä auttaa reagoimaan nopeammin oikealla hoidolla.

Projektin tavoitteena oli toteuttaa sykettä sekä veren happisaturaatiota (SpO2) mittaava laite, joka yhdistetään käyttäjän älypuhelimeen Bluetooth low energy -teknologialla. Laitteen kiinnityksen kehoon täytyi olla mahdollisimman epäintrusiivinen ja ergonominen, mutta myös riittävän tukeva viranomaistehtäviin. Tukeva kiinnitys parantaa myös mittaustarkkuutta vähentämällä sensorin liikettä.

Halusimme toteuttaa tarkan sekä luotettavan sykkeen ja happisaturaation mittauksen lisäksi helpon käyttöliittymän – käyttäjä voisi työvuoronsa alkaessa nostaa laitteen lataustelakasta ja luottaa sen automaattiseen ja saumattomaan toimintaan älypuhelimensa kanssa. Tämän saavuttaaksemme meidän pitää kiinnittää erityistä huomiota laitteistopuolella radiolähettimen luotettavuuteen sekä ohjelmistopuolella Bluetooth-yhteyden toteutukseen.

Lähestymistapa ja komponentit

Sykkeen ja happisaturaation mittaukseen sopivin teknologia oli heijastuspulssioksimetria. Pulssioksimetri mittaa kahden valon aallonpituuden muuttuvaa reflektanssia niiden kulkiessa veren läpi. Mittauspaikaksi mietimme korvalehteä ja korvakäytävää; valitsimme korvakäytävän saavuttaaksemme paremman kontaktin ihoa vasten mittaustulosten tarkentamiseksi.

Valitessamme osia teknologian toteutukseen täytyi ottaa huomioon mittaustarkkuus, tilansäästö, virrankulutus sekä komponenttimarkkinoiden nykyinen tila. Tärkeimpien osien kohdalla päädyimme seuraaviin:

• • Nordic Semiconductorin nRF52810-järjestelmäpiiri
    • • Arm Cortex M4 -prosessori
      • Erittäin alhainen virrankulutus
      • BLE- sekä I²C-tuki
      • AD-muunnin akkujännitteen mittausta varten
      • Pieni koko (5 x 5 mm)
  • Maxim Integratedin MAX30101-pulssioksimetri
    • • Kolme lediä ja fotodiodi pienessä pakkauksessa (3,5 x 5,5 mm)
      • Datansiirto I²C-väylää käyttäen
      • Jo yleisessä käytössä kuluttajalaitteissa
  • Apple AirPod -akku
    • • 8h työpäivään riittävä kapasiteetti (25 mAh)
      • Riittävä purkuvirta
      • Erittäin pieni koko
      • Korvattaisiin tuotannossa tarkoitukseen mittatilatulla akulla

Piirisuunnittelu

Piirisuunnittelun vaiheita Altium Designerissä

Projektin piirisuunnittelussa tuli ottaa huomioon tavalliset asiat kuten virrankulutus ja signaalien integriteetti sekä matalan taajuuden I²C-väylässä että radiotaajuuspiirissä, mutta suurin rajoittava tekijä oli mittauspaikan luoma kokorajoitus. Sopiviin mittoihin pääsy vaati luovia ratkaisuja sekä useita kompromisseja.

Onnistuimme hyvin komponenttien määrän minimoinnissa – kaikki tarpeellinen mahtui korvakäytävään sopivalle 7 x 14 mm nelikerroksiselle piirilevylle. Tilaa säästääksemme jouduimme tekemään useita kompromisseja erityisesti antennipiirin kanssa. Kuitenkin vastoin odotuksiamme monopolijohtoantennimme kantama oli enemmän kuin riittävä tarvitsematta edes impedanssisovitusta – antennin pituus ei vaatinut muutosta ja reaktanssia säätelevä rinnakkaiskomponentti osoittautui tarpeettomaksi.

Valmis piirilevy – sensori toisella puolella

Sulautettu ohjelmointi

Ohjelmistokehitys tehtiin käyttäen Nordic Semiconductorin nRF52 SDK:ta ja kustomoitua versiota Segger Embedded Studiosta. Vaikkei nRF52810:lle ole omaa kehitysalustaa, läheisen sukulaisuuden ansiosta ohjelmistokehitys ja debuggaus oli mahdollista suorittaa suoraan suositumman nRF52832:n kehitysalustalla ilman muutoksia laitteistoon. Firmwaren kirjoitus prototyyppimme ohjelmamuistiin suoritettiin ensin nRF52832:n kehitysalustan J-Link -ohjelmoijalla ja myöhemmässä vaiheessa Bluetoothin välityksellä hyödyntäen Direct Firmware Update -bootloaderia. Firmwareen kuuluu seuraavat komponentit:

• Nordic Semiconductorin advertising beacon -esimerkkiohjelma
• Sparkfunin Arduino-kirjastosta käännetty kirjasto, jossa on rajapinta sensoriin sekä algoritmi happisaturaation ja sykkeen laskemiseen
• nRF52:n ajastintoiminnon kautta 30 sekunnin välein suoritettava funktio, joka mittaa sykkeen, happisaturaation sekä akkujännitteen ja päivittää lukemat mainostusdataan
• Virranhallintafunktio, joka asettaa prosessorin ja sensorin lepotilaan mittausten välissä
• Nordic Semiconductorin “SoftDevice” eli rajapintana toimiva Bluetooth-protokollapino
• Direct Firmware Update -bootloaderi, joka mahdollistaa firmwaren päivityksen Bluetoothin
  välityksellä tietokoneelta tai puhelimesta.

nRF52-sarjan järjestelmäpiirien ohjelmamuistin rakenne

Kotelon muotoilu

Koteloa suunnitellessa oli otettava huomioon laitteen käytännöllisyys, mukavuus ja kestävyys. Suunnittelun aloitimme etsimällä markkinoilta erilaisia tapoja toteuttaa korvanappikuulokkeita. Päätimme kokeilla kehittää mallin, jossa kotelo kulkee korvan ympäri ja jossa laitteen akku on korvan takana. Sensorin paikka olisi korvakäytävässä, mutta pohdimme myös pystyisikö happisaturaatiota mittaamaan tarkasti vaikkapa korvalehdestä, mahdollistaen korvakäytävän käytön kuulokeominaisuutta varten. Suurin haaste kotelon suunnittelussa oli ihmisen mittasuhteiden hahmottaminen ja mukavuuteen ja käytännöllisyyteen perustuva muotoileminen. Sensorin paikoillaan pitäminen laadukasta mittaamista varten tuotti erityisesti haasteita. Ongelma on luultavasti helpoiten ratkaistavissa korvakäytävään menevän osan pehmustamisen avulla. Viimeisen prototyypin kohdalla siirryimme muotoiluun, jossa jätimme korvan ympäri kulkevan osan pois, sillä testauksemme edistyessä vaikutti yhä järkevämmältä kulkea mahdollisimman pientä koteloa kohti sekä mukavuus- että painosyistä. Vieläkin pienempi kotelo on mahdollinen ratkaisu, sillä antenni, akku, magneettikytkin ja piirilevy sensorineen mahtuvat kaikki suhteellisen pieneen tilaan. Ajan kanssa oltaisiin voitu kokeilla aidosti nappimaista ratkaisua sopivan akun kanssa. Kaikki mallit suunniteltiin Solidworks 2018-ohjelmalla.

Materiaalit ja 3D-tulostus

Ensimmäiset suuntaa antavat tulostukset tehtiin tavallisella PLA-muovilla, jonka ominaisuudet eivät kuitenkaan olleet lopullisen prototyypin kannalta suotuisat. Ensimmäiset tulostukset olivat mittasuhteiltaan pahasti pielessä, jonka seurauksena seuraavan version mittoihin käytettiin enemmän pohdintaa. Loput kotelomallit tulostimme Sinterit Lisa-tulostimella. Sintraukseen perustuva tulostus tuotti huomattavasti tarkemman jäljen ja joustavammalla materiaalilla. Savox tulosti myös epoksihartsitulostimillaan kaksi erilaista vertailukohdetta.

Lopputulos

Korvanappi kokoamisvaiheessa

Saavutimme tavoitteemme luotettavasta yhteydestä sekä helposta käyttöliittymästä laitteen puolella – laitteen kantama on enemmän kuin riittävä, ja luotettavuutta lisätäkseen sen on mahdollista lähettää jopa kymmenen mainostusviestiä sekunnissa vaikuttamatta juurikaan akunkestoon. Akunkestoksi mittasimme noin 20 tuntia.

Käyttämämme mainostusviestit eivät tarvitse Blueotooth-laiteparia, joten on mahdollista kirjoittaa älypuhelinsovellus, joka aloittaa mittaustulosten kirjauksen automaattisesti laitteen noustessa lataustelakasta. Telakka on myös helppokäyttöinen – laitteen voi laskea telakkaan, ja painovoima huolehtii kahden latauskontaktin toiminnasta. Laitteen virtakytkimenä toimii reed-kytkin – telakassa oleva magneetti sammuttaa laitteen sen tullessa lähelle.

Suurin haasteemme oli mittaustulosten tarkkuus ja siihen liittyvä laitteen muotoilu. Sensori tuottaa tarkkaa dataa, kun se on hyvässä kontaktissa ihoon tasaisella paineella – hyvin paikallaan ollessa laite pystyi erittäin luotettavasti huomaamaan pienetkin happisaturaation muutokset:

Happisaturaatiomittaus – jälkeenpäin kuvaan merkitty ajanjaksot, joina käyttäjä pidätti hengitystään

Kuitenkin käytännössä jopa puhuminen liikutti korvakäytävän seinämää riittävästi häiritäkseen mittauksia ja tuottaen virheellisiä matalia lukemia. Tähän ratkaisuna olisi eri kokoisten, ergonomisesti mallinnettujen pehmusteiden kehitys korvan sisäisen osan ympärille. Sopivan kokoisen pehmusteen käyttö loisi tasaisen paineen korvan ja sensorin välille vaikuttamatta mukavuuteen.

Valmis prototyyppi

Loppuraportti

https://drive.google.com/file/d/1_dCsHjPygKenhNc4pZ7erb5nDvLgClZ3/view?usp=sharing

GitHub

https://github.com/eerikeskola/spo2-earbud