Компактный дерматоскоп стал еще удобнее благодаря добавлению Bluetooth-соединения и регулируемой подсветке. Заказчик хотел сохранить привычный форм-фактор, а мы помогли внедрить современные технологии без увеличения размеров и потери эргономики.

Беспроводная настройка через iOS-приложение

Два режима освещения с регулируемой интенсивностью

Быстрая зарядка USB-C с индикацией уровня батареи

Введение

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.

Запрос

К нам обратился ведущий производитель медицинского оборудования с запросом на создание обновленной версии популярной карманной модели дерматоскопа. Обновленное устройство должно сохранять основные функции, форм-фактор и предполагаемое использование существующей модели. Цель – добавить новые функции, ориентированные на пользователя, и модернизировать прибор для повышения его конкурентоспособности.

Производителю требовалось внедрить базовое беспроводное управление через Bluetooth для работы с мобильным iOS-приложением. Через приложение можно будет регулировать яркость, переключать режимы освещения, отслеживать уровень заряда батареи, обновлять прошивку.

Также в нашу задачу входило установить новый RGBW-светодиодный индикатор, сделать яркость подсветки регулируемой и предусмотреть порт USB-C для зарядки с током 2,1 А.

Решение

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.

Печатные платы

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.

Плата управления, на которой расположены электронные компоненты и светодиоды.

Основная плата устройства

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.

Зарядка

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.

Контроллер

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.

Индикация

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.

Доступ через мобильное приложение

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.

Сложности проекта и их решение

Сложная компоновка

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.
Размер элементов

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.
Ошибки в машине состояний
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.

Использованные технологии

Altium Designer

для проектирования печатных плат.

Nordic nRF52840

чип с поддержкой Bluetooth 5.0 LE.

Освещеность – 25 кЛк

21 белый светодиод: 15 перекрестно-поляризованных (XP) и 6 неполяризованных (NP). Освещенность – 25 кЛк.

2 тактовых переключателя

в качестве кнопок управления.

USB-C, 5 V, 2,1 А

для входного порта, соответствует стандарту IEC 62368-1.

C++, VS Code, CMake и GCC

для написания встроенного ПО.

Литий-ионный аккумулятор 1800 мА 3,7 V

для питания.

Выполненные работы

Разработка аппаратного обеспечения: проектирование принципиальных схем и печатных плат, сборка прототипа, тестирование изделия;
Создание встроенного ПО (прошивки).

Итоги

Вместе с заказчиком создали обновленный карманный дерматоскоп, который остался таким же компактным и простым в использовании, но получил новые полезные функции – от беспроводного управления до плавной индикации и ускоренной зарядки. Это сделало прибор еще более удобным и надежным в работе врачей.

Сейчас мы с заказчиком обсуждаем возможность работы над совершенно новой моделью цифрового дерматоскопа с двумя мощными камерами. Прибор позволит делать качественные снимки кожи, обрабатывать их и передавать на смартфоны и экспертные системы для более точной диагностики.

Связаться с нами

Оставьте контактные данные, и мы свяжемся с вами в ближайшее время