Como aplicar rapidamente a biometria, o biofeedback e a consciência situacional em ambientes imersivos

Criar ambientes imersivos de realidade virtual (VR), realidade mista (MR), realidade aumentada (AR) e realidade estendida (XR) para o metaverso é uma tarefa complexa. Para ajudar a criar esses ambientes, os projetistas podem se beneficiar do uso da biometria para entender as reações e a condição física dos usuários, do biofeedback para interagir com o usuário e da análise situacional para entender o ambiente. A biometria pode ser implementada com um oxímetro de pulso de alta sensibilidade e um sensor de frequência cardíaca. O biofeedback pode ser fornecido por meio de conteúdo de áudio ou usando hápticos para interações baseadas em toque. Por fim, os sensores tridimensionais (3D) VCSEL (laser de emissão lateral de cavidade vertical) de tempo de voo (ToF), capazes de registrar 30 quadros por segundo (fps), podem mapear continuamente o ambiente e dar suporte à consciência situacional.

O metaverso é uma oportunidade em rápida evolução. Os projetistas podem ser pressionados a desenvolver e integrar rapidamente o conjunto necessário de tecnologias de sensoriamento e resposta de baixo consumo de energia com base em soluções discretas e, ao mesmo tempo, atender às restrições de tempo de colocação no mercado e de custo de desenvolvimento. Além disso, muitos dispositivos do metaverso são alimentados por bateria, o que torna as soluções de baixo consumo de energia uma necessidade.

Para enfrentar esses desafios, os projetistas podem fazer uso de soluções integradas que suportam oxímetro de pulso de alta sensibilidade e detecção de frequência cardíaca, fornecem áudio classe D de alta eficiência e resposta háptica e utilizam uma solução de detecção de ToF 3D baseada em VCSEL que pode detectar posições e tamanhos de objetos com um alto nível de granularidade, mesmo sob condições de luz ambiente intensa.

Este artigo analisa a operação do oxímetro de pulso e dos sensores de frequência cardíaca, examina como os amplificadores de classe D podem fornecer resposta de áudio de alta qualidade e de baixíssimo consumo de energia e apresenta uma série de CIs com baixo consumo de energia da Analog Devices para biometria, biofeedback e consciência situacional, juntamente com as placas de avaliação associadas.

Detecção de condições biométricas

Um fotopletismograma (PPG) mede as alterações no volume de sangue ao nível microvascular e é frequentemente usado para implementar um oxímetro de pulso e um monitor de frequência cardíaca. O PPG usa lasers para iluminar a pele e medir as alterações na absorção (ou reflexão) da luz em comprimentos de onda específicos. O sinal PPG resultante inclui componentes de corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA). A refletividade constante da pele, dos músculos, dos ossos e do sangue venoso resulta no sinal CC. A pulsação da frequência cardíaca do sangue arterial é a principal fonte do sinal CA. Mais luz é refletida na fase sistólica (bombeamento) do que na fase diastólica (relaxamento) (Figura 1).

Figura 1: O sinal PPG na oximetria de pulso inclui componentes CC e CA relacionados a elementos como a estrutura do tecido e o fluxo sanguíneo arterial, respectivamente. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A razão entre o fluxo sanguíneo pulsante (sinal CA) e o fluxo sanguíneo não pulsante (sinal CC) em um sinal PPG é o índice de perfusão (PI). Usando PIs em diferentes comprimentos de onda, é possível estimar o nível de saturação de oxigênio no sangue (S_pO₂). Projetar o sistema PPG para maximizar as razões de PI aumenta a precisão das estimativas de S_pO₂. As razões de PI podem ser aumentadas por meio de um projeto mecânico aprimorado e implementações de sensores de maior precisão.

Arquiteturas transmissivas e refletivas podem ser usadas para sistemas PPG (Figura 2). Um sistema de transmissão é usado em áreas do corpo onde a luz pode passar facilmente, como os lóbulos das orelhas e as pontas dos dedos. Essas configurações podem proporcionar um aumento de 40 a 60 decibéis (dB) no PI. Em um PPG refletivo, o fotodetector e o LED são colocados lado a lado. Os PPGs refletivos podem ser usados no pulso, no peito ou em outras áreas. O uso de um projeto de reflexão reduz as razões de PI e exige o uso de um front-end analógico (AFE) de maior desempenho no sensor. O espaçamento também é fundamental para evitar a saturação do AFE. Além das considerações de projeto mecânico e elétrico, o desenvolvimento de software para interpretar adequadamente os sinais do PI pode ser um desafio significativo.

Figura 2: Um único LED IV pode ser usado em um oxímetro de pulso simples e em um sensor de frequência cardíaca, mas o uso de vários LEDs pode produzir um sinal de saída de maior qualidade. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Um desafio adicional ao projetar sistemas PPG é a necessidade de levar em conta qualquer movimento do usuário enquanto a medição está sendo feita. O movimento pode causar pressões que podem alterar a largura das artérias e veias, afetando sua interação com a luz, o que altera os sinais de PI. Como os sinais do PPG e os artefatos de movimento típicos estão em faixas de frequência semelhantes, não é possível simplesmente filtrar os efeitos do movimento. Em vez disso, um acelerômetro pode ser usado para medir o movimento a fim de permitir que ele seja cancelado.

Monitoramento da S_pO₂ e frequência cardíaca

Para os projetistas que precisam implementar o monitoramento da S_PO₂ e frequência cardíaca, a Analog Devices oferece o projeto de referência MAXREFDES220# que fornece muito do que é necessário para criar rapidamente um protótipo de solução, incluindo:

• O módulo integrado de oximetria de pulso e monitor de frequência cardíaca MAX30101. Esse módulo inclui LEDs internos, fotodetectores, elementos ópticos, um AFE de alto desempenho e outros componentes eletrônicos de baixo ruído, além da rejeição de luz ambiente.
• O hub de sensor biométrico MAX32664, projetado para uso com o MAX30101. Ele inclui algoritmos para implementar o monitoramento da S_PO₂ e frequência cardíaca e tem uma interface I²C para comunicação com uma unidade microcontroladora (MCU) host. Os algoritmos também suportam a integração de um acelerômetro para correção de movimento.
• O acelerômetro de três eixos ADXL362 que consome menos de 2 microamperes (µA) a uma taxa de dados de saída de 100 Hertz (Hz) e 270 nanoamperes (nA) quando em modo de despertar disparado por movimento.

Classe D para resposta de áudio

A resposta de áudio pode oferecer uma oportunidade para interações poderosas com os usuários. Ou pode diminuir a qualidade da experiência se a qualidade do som for ruim. Os micro alto-falantes usados em ambientes típicos de dispositivos vestíveis e de VR/MR/AR/XR podem ser difíceis de usar de forma eficaz e eficiente. Uma maneira de resolver esse problema é usar um amplificador inteligente Classe D de alta eficiência com um conversor boost integrado e escalonamento de tensão para obter maior eficiência com baixa potência de saída. A função de amplificação inteligente integrada pode aumentar o nível de pressão sonora (SPL), bem como a resposta dos graves, para um áudio mais rico e realista.

Projetar uma amplificação inteligente é um processo complexo, mas os amplificadores estão disponíveis com processadores de sinais digitais (DSPs) integrados que implementam automaticamente a amplificação inteligente e proporcionam um desempenho aprimorado do alto-falante, incluindo detecção de corrente-tensão (IV) para controlar a potência de saída e evitar danos ao alto-falante. Com a amplificação inteligente, os micro alto-falantes podem fornecer com segurança SPLs mais altos e maior resposta de graves. Estão disponíveis soluções integradas que proporcionam um aumento de 6 a 8 dB no SPL e que estendem a resposta de graves até um quarto da frequência de ressonância (Figura 3).

Figura 3: A amplificação inteligente com um design de Classe DG pode suportar com segurança e eficiência níveis mais altos de SPL e resposta de graves estendida em micro alto-falantes. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Amplificador de classe D para resposta de áudio

O MAX98390CEWX+T é um amplificador inteligente Classe D de alta eficiência com um conversor boost integrado e o Gerenciamento Dinâmico de Alto-falante (DSM) da Analog Devices para um som superior que pode suportar resposta de áudio eficiente e de alta qualidade. Esse amplificador inclui escala de tensão para alta eficiência com baixa potência de saída. Além disso, o conversor boost opera com tensões de bateria de até 2,65 volts e tem uma saída programável de 6,5 a 10 volts em incrementos de 0,125 volt. O conversor boost inclui rastreamento de envelope para ajustar a tensão de saída para obter a máxima eficiência, juntamente com um modo de bypass para operação com baixa corrente quiescente.

Esse amplificador reforçado pode fornecer até 6,2 watts para um alto-falante de 4 Ohm (Ω) com apenas 10% de distorção harmônica total mais ruído (THD+N). Ele inclui um sensor IV integrado para proteger o alto-falante contra danos e suporta SPLs mais altos e resposta de graves mais baixa.

Para agilizar o desenvolvimento com o MAX98390C, a Analog Devices oferece o kit de avaliação MAX98390CEVSYS#. O kit inclui a placa de desenvolvimento MAX98390C, uma placa de interface de áudio, uma fonte de alimentação de 5 volts, um micro alto-falante, um cabo USB, o software DSM Sound Studio e o software de avaliação MAX98390 (Figura 4). O software DSM Sound Studio tem uma interface gráfica do usuário (GUI) que implementa o DSM em um processo simples de três etapas. Ele também inclui uma demonstração de sete minutos do impacto do software DSM usando o micro alto-falante.

Figura 4: O kit MAX98390CEVSYS# inclui todo o hardware e software necessários para desenvolver sistemas de resposta de áudio Classe D. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Háptica para resposta tátil

Os projetistas de sistemas que dependem da resposta tátil para envolver os usuários, podem recorrer ao controlador de alta eficiência MAX77501EWV+ para atuadores piezoelétricos. Ele é otimizado para acionar elementos piezoelétricos de até 2 microfarads (µF) e gera uma forma de onda háptica de terminal simples de até 110 volts de pico a pico (Vpk-pk) a partir de uma tensão de alimentação de 2,8 a 5,5 volts. Ele pode operar no modo de reprodução de memória com formas de onda pré-gravadas ou usar formas de onda em tempo real transmitidas por uma MCU. Várias formas de onda podem ser alocadas dinamicamente na memória da placa, que pode servir como um buffer FIFO (first-in, first-out) para streaming em tempo real. O acesso e o controle total do sistema, incluindo relatórios e monitoramento de falhas, são suportados pela interface periférica serial (SPI) integrada. Ele também permite a reprodução após um tempo de inicialização de 600 microssegundos (µs) após o desligamento. Para garantir alta eficiência e máxima duração da bateria, esse controlador tem uma arquitetura de reforço da potência ultrabaixa com uma corrente de espera de 75 μA e uma corrente de desligamento de 1 μA.

Para explorar os recursos do controlador piezoelétrico MAX77501, os projetistas podem usar o kit de avaliação MAX77501EVKIT#, que é totalmente montado e testado. O kit permite uma avaliação fácil do MAX77501 e de sua capacidade de acionar um grande sinal háptico por meio de um atuador piezoelétrico de cerâmica. O kit inclui um software GUI baseado em Windows para explorar todos os recursos do MAX77501.

ToF para consciência situacional

A consciência situacional pode ser um aspecto importante dos ambientes de VR/MR/AR/XR. A plataforma de avaliação AD-96TOF1-EBZ suporta esse aspecto ao incluir uma placa transmissora de laser VCSEL e uma placa receptora AFE para desenvolver funções de percepção de profundidade ToF (Figura 5). Ao emparelhar essa plataforma de avaliação com uma placa de processador do ecossistema 96Boards ou da família Raspberry Pi, os projetistas recebem um design básico que pode ser usado para desenvolver o software e os algoritmos para implementações de aplicações específicas de ToF com altos níveis de granularidade 3D. O sistema pode detectar e localizar objetos sob condições de luz ambiente intensa e tem vários modos de detecção de alcance para otimizar o desempenho. O kit de desenvolvimento de software (SDK) incluído fornece os wrappers OpenCV, Python, MATLAB, Open3D e RoS para melhorar a flexibilidade.

Figura 5: Os sistemas de conscientização situacional ToF de alto desempenho podem ser desenvolvidos usando a plataforma de avaliação AD-96TOF1-EBZ. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

A criação de ambientes imersivos e interativos para o metaverso é uma tarefa complexa e demorada. Para agilizar o processo, os projetistas podem recorrer a uma linha completa de soluções compactas e eficientes em termos de energia da Analog Devices, incluindo plataformas de desenvolvimento e avaliação para sistemas de sensoriamento biométrico, biofeedback e consciência situacional.

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