Creación de prototipos de dispositivos médicos portátiles utilizando módulo Wi-Fi

Con la explosión de conectividad que hay en la actualidad, surgieron varias ramificaciones de gran alcance para nuestra salud y bienestar. Para empezar, el uso de dispositivos de uso médico ya no implican que el paciente tenga que estar confinado a una cama de hospital o incluso a un establecimiento médico. Los médicos ahora pueden supervisar y controlar los dispositivos de los pacientes de manera remota e incluso realizar ajustes sobre la marcha.

Este progreso se debe, en gran medida, a la fusión de teléfonos celulares, computadoras, equipos periféricos portátiles y redes de área personal (PAN). Desde un punto de vista económico, las empresas aseguradoras que conocen sobre costos están utilizando cada vez más equipos médicos portátiles ya que saben que la detección temprana de afecciones o problemas médicos puede reducir el costo que un paciente debe pagar por un tratamiento determinado.

Este artículo aborda el uso de módulos Wi-Fi listos para usar para hacer prototipos de dispositivos de uso médico portátiles. Estos dispositivos pueden agilizar el desarrollo de los sensores y circuitos que ya existen en la industria médica, pueden servir como una solución OEM (de fabricante de equipo original) o bien si su diseño es utilizado como referencia, pueden ser incluidos dentro de una placa cuando un producto ya esté listo para lanzarse al mercado. Todos los dispositivos, fichas técnicas y material de capacitación que aquí se mencionan se pueden encontrar en línea en el sitio web de DigiKey.

¿Por qué elegir Wi-Fi?

Hay varios protocolos inalámbricos y por cable que compiten en el uso en redes de área personal. Dentro de las opciones inalámbricas, se incluye Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, ANT+, 6LoWPAN y Z-Wave. Si bien todos estos protocolos tienen ventajas reales y tangibles como su bajo costo, la poca complejidad, mínimos gastos extras y poco tráfico, el sistema Wi-Fi es probablemente la mejor opción para el mercado de dispositivos de uso médico portátiles por varios motivos.

Uno de los motivos es el uso masivo de Wi-Fi respecto al uso de los otros protocolos. Muchos cafés, restaurantes e incluso lugares públicos ahora utilizan redes de Wi-Fi gratuitas, lo que hace que sea un medio ideal para los dispositivos de uso médico que necesitan una conexión directa con la nube y con un profesional médico a través de una infraestructura pública. En el caso de los equipos médicos portátiles, este canal directo puede ser utilizado como respaldo en caso de que nuestra computadora portátil matriz no funcione correctamente.

Otro de los motivos es que todos los smart phones son compatibles con el uso de redes Wi-Fi. Esto implica que, a medida que los smart phones se convierten en agregadores informáticos y de comunicación para dispositivos portátiles, nuestro dispositivo de uso médico portátil tendrá una conexión continua de baja potencia en la nube por medio de servicios 3G/4G/5G (etc.).

Una tercera razón es que Wi-Fi ofrece un sistema de seguridad y de codificación básico. Uno no desea que nadie interfiera en su información médica ni que pueda modificar, por ejemplo, la configuración de su marcapasos. Con IPv6, hay muchas direcciones de IP disponibles que permiten identificar de manera única el dispositivo de cada persona. Esto no presenta ningún inconveniente.

Por último, hay muchas soluciones Wi-Fi listas para usar ya sea por medio de un chip o de módulos. Esto implica que usted puede aprovechar de la tecnología sin necesidad de conocer en profundidad sus aspectos más complejos. Se puede acceder fácilmente a esquemas de muestra, códigos, diseños y soporte de aplicaciones.

Tenga en cuenta la opción de usar módulos

Para un diseñador, copiar y pegar un diseño de referencia en un placa de circuito impreso (PCB) puede ser una tarea menor. A fin de cuentas, el diseño ya fue fabricado, probado y caracterizado. ¿Qué podría funcionar mal?

En el mundo real, hay muchos factores que pueden interferir en el rendimiento de RF, incluso quienes crean los chips de RF suelen tener que repetir varias veces sus pruebas de PCB o sus placas de desarrollo. Además, el proceso de certificación para probar una PCB demanda mucho tiempo y es altamente costoso y es posible que tenga que volver a hacerse cada vez que haya algún cambio que no esté relacionado con la RF. Esto implica muchos gastos, riesgos y demoras que pueden extender el tiempo de lanzamiento de un producto al mercado.

Precisar los módulos para hacer los prototipos y la producción inicial es una buena opción por varios motivos. Por empezar, estos módulos cuentan con las certificaciones FCC y TUV y las frecuencias específicas que cumplen con las normativas universales. Además, se pueden probar y se pueden desarrollar de manera independiente de cualquier componente del sistema. Esto le permite hacer pruebas de espacio y de ubicación de componentes para garantizar un máximo rendimiento, principalmente porque los materiales que se encuentran cerca de antenas pueden afectar el rendimiento de RF.

Una de las ventajas principales del uso de módulos es la capacidad de diseñar en simultáneo. Se puede diseñar, realizar el prototipo y probar la aplicación principal y, al mismo tiempo, desarrollar un módulo de RF en segundo plano. Esto agiliza un poco el proceso ya que, en la etapa de producción inicial, se pueden generar versiones del producto con módulos de Wi-Fi como soluciones OEM, a las que se puede acceder a un precio razonable.

Modo de descubrimiento

La velocidad de transmisión de datos puede ayudarle a identificar cuáles son los módulos más apropiados para usted. No todas las aplicaciones necesitan alta velocidad y gran potencia. Tomemos como ejemplo el caso del módulo Wi-Fi MIKROE-1135 de MikroElectronika de 3.3 V y de uso general, compatible con el estándar 11-Mbit/s 802.11b. La antena PCB integrada tiene un rango de 400 m y el stack con código firmware le permite la comunicación con su microchip integrado por medio de un Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART) estándar. El módulo desmontable, fácil de calzar, se puede enchufar para realizar actualizaciones rápidas y el ensamblaje (Figura 1). Está respaldado por un esquema de referencia y por ejemplos de códigos. MikroElectronika también ofrece otros ejemplares de sus módulos RF de la serie modular Click™.


Figura 1: Los módulos fáciles de calzar se pueden enchufar para realizar la fase de desarrollo y prueba. También permiten determinar la ubicación de la PBC que garantice un rendimiento óptimo.

Con mayor compatibilidad para velocidades de transmisión de datos de 54 Mbit/s, el módulo H&D Wireless HDG104-DN-2 es un módulo apto para 802.11b y g. El módulo completo, que funciona con 2,7 a 3,3 V, está empaquetado como un chip QFN de 44 pines SMT que abarca solo 7,1 x 7,7 mm del área de la placa del circuito.

Un dato interesante de este módulo es que no es necesario reducir la RF y que el dispositivo está calibrado previamente con una dirección de MAC ya asignada. Basado en el procesador Atmel AVR con una consola interna ROM, este módulo capta (o provee en caso de que agregue un oscilador) una frecuencia de 40 MHz del sistema host para sintetizar todas las frecuencias de microchip internas y de RF necesarias. También puede captar una frecuencia de 32,768 kHz en el modo de baja potencia en el que requiere 15 mW en el modo de apagado gradual. Esta pieza utiliza una antena externa y comunicaciones en serie a través de una interfaz periférica serial SPI. También está disponible el método de entrada/salida digital (Figura 2).


Figura 2: Solo se necesitan relojes de frecuencia, energía y comunicaciones en serie para poder aprovechar este módulo tipo chip. Es posible que la antena externa no requiera reducción de frecuencia.

Texas Instruments también tiene algunos módulos Wi-Fi de 54 Mbit/s listos para usar, como el módulo WL1831MODGBMOCT , que combina un transceptor Wi-Fi 802.11 b/g/n con un transceptor de Bluetooth. Como miembro de la serie WiLink™, está basado en microprocesadores Sitara de TI y es compatible con stack y software de Linux, Android, Wi-Fi y Bluetooth pre integrado con AM335x Development Kits.

Hay además otros contendientes listos para usar, como el módulo Wi-Fi Microchip RN171XVS-I/RM de 54 Mbits/s de uso general y como el H&D SPB800-BCP1 de 54 Mbit/s en una placa de circuito desmontable. Otro atractivo es la conectividad inalámbrica inmediata a Internet o a una red de área local de cualquiera de los dispositivos con conectividad UART o RS-232.

Mayores velocidades

Una velocidad de datos ligeramente mayor que 65 Mbit/s presenta Murata con su módulo que combina el Tipo TN 802.11b/g/n y Bluetooth 4.0, el LBEE5ZSTNC-523. Murata cuenta con una familia de módulos de RF que también pueden conectar dispositivos de uso médico a Bluetooth e incluso radios de 900 MHz para mayores alcances y mejor penetración (Figura 3).


Figura 3: Varias opciones de módulos inalámbricos que permiten conectar los dispositivos de uso médico portátiles a redes que no sean Wi-Fi, así como también a radios menos usados de 900 MHz para canales con menos interferencias y mayores distancias.

Inventek ofrece un interesante módulo Wi-Fi alimentado por UART, el ISM43362-M3G-L44-E-C2.4.0.2 para 802.11 b/g/n con una antena de microchip y la posibilidad de conectar una antena externa (Figura 4). Esta pieza también cuenta con un sistema de comunicación en serio pero, gracias a los múltiples puertos SPI, UART y USB, puede usarse como un pequeño centro independiente (observe además los conversores A/C del módulo que permite alternar de señal).


Figura 4: Cuando en un módulo hay más de un puerto disponible, puede actuar como un centro pequeño de comunicación y como un servidor de diferentes dispositivos médicos. Esto permite que diferentes sensores distribuidos, como los que se usan en electrocardiogramas, necesiten un único canal de RF.

BlueGiga tiene una familia de módulos Wi-Fi de WF111 y WF121 con y sin antenas externas, tales como el WF111-E de 72 Mbit/s que se usa con una antena externa y el WF121-A que tiene antenas internas. También hay módulos que ofrecen velocidades de datos aún más rápidas —150 Mbit/s— como las del módulo de uso general Sagrad SG901-1059B-5.0-H de 802.11 b/g/n/, que usa una antena externa. Con una interfaz USB 2.0, la solución integrada RT3070 de único chip integra un PHY de 150 Mbit/s y cumple con el proyecto y la configuración de 802.11n 3.0. Tenga en cuenta que es necesario un proceso de 300 o 400 MIPS para que esta pieza llegue a su nivel máximo de rendimiento. Hasta el momento, se han probado con este módulo ARM de 32 bits y de x86, ya que tienen procesadores x86 de 64 bits.

Resumiendo

Quienes fabrican los dispositivos médicos pueden ser expertos en el desarrollo de productos de uso médico para los pacientes y para los médicos pero probablemente no tengan los mismos conocimientos respecto a sistemas de comunicación inalámbricos. Aquí es donde la solución modular les facilita el diseño de una versión inalámbrica de sus sensores de uso médico o de los sistemas de tratamiento. Mientras un equipo avanza en el desarrollo de una solución médica óptima, otro equipo puede perfeccionar la conexión RF de bajo costo que sea necesaria establecer. Es una solución que permite minimizar el tiempo de lanzamiento de un dispositivo al mercado, con menores riesgos y potencialmente menores costos, en especial si se tienen que volver a hacer las pruebas de certificación de FCC.

Para más información sobre las piezas mencionadas en este artículo, use los vínculos indicados para acceder a las páginas con datos sobre el producto disponibles desde el sitio web de DigiKey.