Портативный дерматоскоп

Карманный дерматоскоп – небольшой и удобный прибор, который помогает врачам быстро и точно рассмотреть кожу благодаря качественному увеличению и подсветке. Эти устройства очень популярны среди дерматологов, поскольку они компактны, мобильны и просты в использовании как в клинике, так и вне ее.

Производители работают над тем, чтобы сделать приборы более точными и надежными, увеличить время работы от батареи и повысить удобство эксплуатации. Также современным пользователям все чаще требуется подключение к смартфонам и другим электронным устройствам.

Наш дерматоскоп – небольшой прибор, который легко помещается в руке. Управлять им можно двумя кнопками на корпусе или через мобильное приложение. Пользователь имеет возможность выбрать тип подсветки – обычную или поляризованную – и самостоятельно регулировать яркость каждого режима. Такой подход помогает врачу быстро подстроить устройство под разные условия и повысить точность обследования.

С одной стороны, наша задача была достаточно понятной – нужно было модернизировать прибор: заменить компоненты на более актуальные и написать новое встроенное программное обеспечение. Однако с другой стороны, мы столкнулись с серьезными механическими ограничениями: печатная плата должна была иметь строго определенные размеры и форму.

Мы были ограничены в размещении компонентов, что усложняло проектирование. Устройство очень компактное, и расположить все необходимые элементы на ограниченной площади было непросто.

Устройство состоит из двух печатных плат: основной, на которой расположена вся электроника и светодиоды, и отдельной USB-платы. Они соединяются кабелем. Две платы необходимы из-за геометрии устройства: USB-порт находится в нижней части, а основная плата – в верхней.

В предыдущей версии дерматоскопа основная плата была четырехслойной. С добавлением новых компонентов команда решила перейти на шестислойную плату, сохранив размеры. Дополнительные слои позволили увеличить количество дорожек для новых соединений, что было необходимо из-за возросшей сложности схемы.

Дерматоскоп заряжается через USB-C порт, причем в новой версии значительно быстрее – с током 2,1 А. Для обеспечения такой скорости и надежности потребовался специфический кабель, соединяющий внутренние платы. Его выбор был непростой задачей: он должен был быть плоским и гибким для размещения в компактном корпусе, выдерживать повышенную нагрузку и быть доступным для производства.

В старой версии дерматоскопа использовался микроконтроллер, который не обеспечивал беспроводную связь и имел высокое энергопотребление. Поскольку одной из ключевых задач стала реализация беспроводного подключения, мы выбрали чип Nordic nRF52840 и антенну для Bluetooth-соединения. Этот чип хорошо себя показал в наших предыдущих проектах: он экономичен, доступен и подходит для компактных корпусов.

В данной модели появилась новая функция – индикация заряда батареи с помощью четырех светодиодов. При полном заряде светятся все четыре индикатора, при 75% – три, и так далее. Заказчик хотел, чтобы светодиоды не просто включались и выключались, а плавно мерцали, создавая эффект постепенного появления и затухания света.

Для этого команда решила отказаться от транзисторных схем и использовать специализированную микросхему LED-драйвера. Мы создали программу, которая синхронизирует работу всех четырех светодиодов, обеспечивая корректную и красивую индикацию заряда.

Мобильное приложение для iOS разрабатывалось заказчиком. Нашей задачей было обеспечить возможность подключения дерматоскопа к смартфону, чтобы пользователь мог управлять прибором через приложение. Особенность в том, что к сопряжению через Bluetooth применялись повышенные требования безопасности. Чтобы начать управление, нужно либо нажать и удерживать кнопку на самом дерматоскопе, либо ввести специальный PIN-код в приложении.

Компоненты на плате пришлось расположить гораздо плотнее, чем в старой версии, потому что при прежнем размере устройства функций стало больше. Нам потребовалось добавить к чипу антенну беспроводной связи, а у нее довольно строгие требования к месту на плате и окружающей компоновке. Антенна занимает значительную площадь, что усложняет размещение остальных элементов. Нужно было понять, как разные антенны работают в такой компоновке, и выбрать лучший вариант, который меньше всего зависит от расположения и особенностей конструкции.

Кроме того, в техническом задании были указаны зоны на плате, где из-за особенностей конструкции корпуса элементы размещать нельзя. Поэтому компоненты пришлось размещать с учетом этих ограничений.

Из-за того, что прибор должен быть компактным, нам пришлось выбирать очень маленькие компоненты, работать с которыми было не всегда просто.

Первая серьезная проблема возникла со светодиодом, который показывает статус беспроводной связи. Заказчик хотел использовать RGBW-светодиод размером всего 0,8х0,8 мм и площадкой для пайки на каждом из пяти контактов 0,2 мм.

На заводе с пайкой такого миниатюрного компонента возникли сложности. В результате на некоторых платах светодиод работал нормально, а на других – нет.

В следующей версии инженер изменил геометрию защитного слоя вокруг контактных площадок, чтобы во время пайки избежать случайных замыканий между соседними контактами. Благодаря этому количество брака заметно уменьшилось.

Проблемы, связанные с небольшим размером устройства, возникли и при выборе контроллера. Готовый модуль nRF52840 с антенной оказался слишком большим для нашего проекта. Поэтому мы решили взять отдельно чип nRF52840 с BGA-площадками в маленьком типоразмере 6х6 мм, обвязку, а также отдельно подобрать внешнюю антенну и согласующий фильтр.

Устройство может находиться в нескольких режимах:

• выключено (с минимальным энергопотреблением),
• спящий режим, когда работает только Bluetooth,
• зарядка,
• режимы с поляризационной и неполяризационной подсветкой,
• сопряжение с мобильным телефоном.

Переходы между этими состояниями происходят, например, при нажатии кнопки – кратковременном или длительном. Каждое состояние имеет свои особенности. Все вместе они образуют так называемую машину состояний.

В изначальной версии, которую предоставил заказчик, некоторые переходы были прописаны некорректно. Наши инженеры внимательно изучили схему, нашли ошибки и предложили свой вариант, который обеспечивает правильную работу всех режимов. Заказчик согласился с нашим решением.