Medical Applications User Guide (pdf) - Freescale Semiconductor

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Introduction
1.1 Freescale Offers Technology for Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.2 Welcome to Freescale Medical Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
1.3 Why Freescale? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
Home Portable Medical
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Telehealth Systems .........................................................10
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
3.2 Home Health Hub (HHH) Reference Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
3.3 Power Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
3.4 Voltage Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
3.5 Keypad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
3.6 Touch-Sensing Software Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
3.7 How it Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
3.8 Freescale Touch Sensor Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
3.9 PWM Function for a Speaker Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
3.10 Wireless Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
3.11 Introduction to ZigBee Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
3.12 Freescale Solutions with ZigBee Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
3.13 Configuration Diagrams for Freescale ZigBee Transceiver Families . . . . . . . . . . . . . .18
3.14 ZigBee Health Care Profile and IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
3.15 Why ZigBee Is Ideal for Wireless Vital Sign Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
3.16 Freescale Enables ZigBee Health Care Profile for Medical Devices . . . . . . . . . . . . . .19
3.17 Transceivers and Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
3.18 Freescale Continua Health Alliance Certified USB Library Software . . . . . . . . . . . . . .20
3.19 Standard Medical USB Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
Blood Pressure Monitor .....................................................24
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
4.2 Heartbeat Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
4.3 Systolic and Diastolic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
4.4 Invasive Blood Pressure Monitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
4.5 Obtaining Pressure Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
4.6 Blood Pressure Monitor Reference Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Heart Rate Monitor .........................................................31
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
5.2 Heart Signals Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
5.3 Filters and Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
5.4 Amplifier and Filtering Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
5.5 Obtaining QRS Complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
5.6 Heart Rate Monitor Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
Blood Glucose Meter .......................................................34
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
6.2 Test Strip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
6.3 Wired and Wireless Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
6.4 Liquid Crystal Display (LCD) Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Pulse Oximetry .............................................................40
7.1 Theory Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
7.2 Signal Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
7.3 Circuit Design Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
7.3.1 Circuit LED Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
7.3.2 Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
Activity Monitor. ............................................................44
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
8.2 Electocardiography (ECG) Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
8.3 Pedometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
8.4 User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
8.5 Reference Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
Hearing Aids. ...............................................................50
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
9.2 Microphone Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
9.3 Li-ion Battery Charger Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
9.4 Class D Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52
9.5 Digital Signal Processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
Freescale Technologies for Home Portable Medical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
Diagnostic and Therapy Devices
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
10.2 Electrocardiograph and Portable ECG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
10.3 QRS Complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
10.4 Filtering ECG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
10.5 Electrodes Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
10.6 Display Driver and Touch Screen Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
10.7 Enhanced Multiply-Accumulate (eMAC) Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
10.8 USB Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
Defibrillators. ...............................................................62
11.1 Automated External Defibrillator (AED) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
11.2 Circuit for Capacitive Discharge Defibrillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
11.3 Circuit for Rectangular-Wave Defibrillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
Ventilation and Spirometry ..................................................64
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
12.2 System Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
12.3 Spirometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
12.4 Graphic LCD MPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
12.5 Alarm System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
12.6 Air and Oxygen Blender and Mix Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Anesthesia Monitor .........................................................72
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
13.2 Brief Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
13.3 Pressure Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
13.4 Valve Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
13.5 Principal MCU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
Vital Signs ..................................................................75
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
14.2 Measuring Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
14.3 ECG Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
14.4 Pulse Oximetry Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
14.5 Blood Pressure Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
14.6 Motor Control with Freescale Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
Hospital Admission Machine ................................................78
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
15.2 Hospital Admission Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
15.3 Patient Height and Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
15.4 Patient Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
15.5 Communication Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
15.6 Backlight Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
15.7 Multimedia Applications with i.MX53 Family . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
Digital Stethoscope .........................................................84
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
16.2 Ultrasonic Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
16.3 Electrical Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
16.4 Signal Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
16.5 LCD Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
16.6 Fetal Heart Rate Monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
Powered Patient Bed .......................................................89
17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
17.2 Using Motors for Patient Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
17.3 Integrated Real-Time Patient Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
17.4 Integrated Tilt Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
17.5 Integrated Intercom Using VoIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
Freescale Technologies for Diagnostics and Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
Medical Imaging
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
18.2 Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
18.3 How Ultrasound Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
18.4 Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
18.5 Multiplexer for Tx/Rx Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
18.6 Instrumentation Amplifier and Variable Gain Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
18.7 Beamformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
18.8 Ultrasound Software Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
18.9 Microprocessors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
18.10 Digital X-Ray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
18.11 Analog Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
18.12 Photo Detector Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
18.13 Signal Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
18.14 Capacitive Sensing and Touch Screen Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Freescale Technologies for Medical Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
Summary ............................................................103
Application Notes . ...............................................104
Appendix ...........................................................105
Digital Signal Processing Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
Digital Filter Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106
Signal Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106
Freescale Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
Instrumentation Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
Analog Measurement Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
Filter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
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