So entwickeln Sie ein besseres Pulsoximeter:Implementierung

Es ist wichtiger denn je, medizinische Geräte zu entwickeln, die bequemer zu bedienen und weniger Strom zu verbrauchen. In diesem Artikel werden Design und Implementierung eines effektiveren Pulsoximeters beschrieben.

Im ersten Artikel dieser zweiteiligen Serie haben wir die technischen Spezifikationen eines Pulsoximeters behandelt. In diesem Artikel behandeln wir Designüberlegungen wie transmissiv vs. reflektiv, Sensorpositionierung, Perfusionsindex, Bewegungsartefakte und Besonderheiten beim Design mit einem optischen AFE.

Transmissiv vs. Reflektierend

Ein PPG-Signal kann unter Verwendung einer transmissiven oder reflektierenden LED- und PD-Konfiguration erhalten werden. Eine transmissive Konfiguration misst das nicht absorbierte Licht, das durch einen Teil des Körpers gelangt ist. Diese Konfiguration eignet sich am besten für Bereiche wie Finger und Ohrläppchen, in denen die Messung von der Kapillardichte dieser Körperstellen profitiert, wodurch die Messungen stabiler, repetitiver und weniger empfindlich gegenüber Platzierungsschwankungen sind. Transmissive Konfigurationen erreichen eine Erhöhung des Perfusionsindex von 40 dB bis 60 dB.

Reflektierende PPG-Konfigurationen werden gewählt, wenn PD und LED aus praktischen Gründen nebeneinander platziert werden müssen, beispielsweise bei Geräten, die am Handgelenk oder an der Brust getragen werden.

Abbildung 1. LED-PD-Konfiguration. (Quelle:Analog Devices)

Sensorpositionierung und Perfusionsindex

Die Positionierung an Handgelenk und Brust erfordert einen größeren Dynamikbereich im PPG AFE, da das DC-Signal aufgrund der Tiefe der Arterien unter statisch reflektierenden Komponenten wie Haut, Fett und Knochen stark erhöht wird.

Eine höhere Auflösung bei den PPG-Messungen verringert die Unsicherheit im SpO₂ Algorithmus. Mit einem typischen PI von 1 % bis 2 % für SpO, das am Handgelenk getragen wird₂ Sensoren ist das Ziel des Pulsoximeter-Designs, den PI durch mechanisches Design zu erhöhen oder den Dynamikbereich zu erhöhen.

Der Abstand der LED zu PD hat einen großen Einfluss auf den PI. Ein zu kleiner Abstand erhöht das Übersprechen oder die Rückstreuung von LED zu PD. Dies erscheint als DC-Signal und sättigt das AFE.

Eine Vergrößerung dieses Abstands reduziert sowohl den Effekt von Rückstreuung als auch von Übersprechen, reduziert aber auch das Stromwandlerverhältnis (CTR), das den LED-Ausgang zum PD-Rückstrom darstellt. Dies beeinträchtigt die Effizienz des PPG-Systems und erfordert eine höhere LED-Leistung, um den AFE-Dynamikbereich zu maximieren.

Das schnelle Pulsen einer oder mehrerer LEDs hat den Vorteil, dass der 1/f-Rauschbeitrag zum Gesamtsignal reduziert wird. Durch das Pulsen der LEDs ist es auch möglich, auf der Empfangsseite eine synchronisierte Modulation zu verwenden, um Umgebungslichtstörer auszulöschen. Die Integration mehrerer Pulse erhöht die PD-Signalamplitude und senkt den durchschnittlichen Stromverbrauch. Eine Vergrößerung des gesamten PD-Bereichs erhöht auch die CTR, da mehr von dem reflektierenden Licht erfasst wird.

Für die PPG-Messung der Herzfrequenz wurde eine Kombination aus einem einzelnen großen PD und mehreren energieeffizienten grünen LEDs von vielen Herstellern von Herzfrequenzgeräten verwendet, um an Orten mit begrenztem Blutfluss verwendet zu werden. Grüne LEDs werden aufgrund ihrer hohen Unterdrückung von Bewegungsartefakten gewählt. Dies geht jedoch auf Kosten der Leistung. Grüne LEDs haben eine höhere Durchlassspannung als rote und IR und eine hohe Absorption im menschlichen Gewebe, was bedeutet, dass eine höhere LED-Leistung erforderlich ist, um aussagekräftige Herzinformationen zurückzugeben.

Als SpO₂ erfordert mehrere Wellenlängen und die meisten Systeme enthalten immer noch hocheffiziente grüne LEDs für das HR PPG, die gängigste Konfiguration für HR und SpO₂ PPG-Systeme sind ein einzelnes grünes, rotes und IR-LED-Array, das von mehreren PDs umgeben ist, wie auf der ADI VSM-Uhr in Abbildung 2 zu sehen ist. Der PD-zu-LED-Abstand wurde optimiert, um die Rückstreuung zu reduzieren, und das Baffle-Design reduziert das Übersprechen von LED zu PD.

Abbildung 2. ADI VSM Watch V4, Schallwand und LED-DP-Array. (Quelle:Analog Devices)

Mehrere Prototypen der ADI VSM-Uhr wurden getestet, um den effizientesten PD-zu-LED-Abstand für unser HR PPG und SpO₂ . zu überprüfen Messung.

Bewegungsartefakte

Bewegungsartefakte stellen eine der größten Designherausforderungen für ein PPG-Messsystem dar. Bei Bewegung verändert sich die Breite der Arterien und Venen durch Druck. Die von der Photodiode absorbierte Lichtmenge ändert sich und dies ist im PPG-Signal vorhanden, da Photonen anders absorbiert oder reflektiert werden als bei einem ruhenden Körper.

Für einen unendlich breiten Photodiodenbereich, der eine unendlich lange tiefe Gewebeprobe bedeckt, werden schließlich alle Photonen an der Photodiode reflektiert. In diesem Fall wird kein bewegungsbedingtes Artefakt erkannt. Dies kann jedoch nicht erreicht werden; Die Lösung besteht darin, die Fotodiodenfläche unter Berücksichtigung der Kapazität zu vergrößern, wodurch der AFE verringert und Bewegungsartefakte gefiltert werden.

Die normale Frequenz für ein PPG-Signal liegt zwischen 0,5 Hz und 5 Hz, während Bewegungsartefakte typischerweise zwischen 0,01 Hz und 10 Hz liegen. Einfache Bandpassfiltertechniken können nicht verwendet werden, um Bewegungsartefakte aus dem PPG-Signal zu entfernen. Um eine hochgenaue Bewegungsunterdrückung zu erreichen, muss ein adaptiver Filter mit hochgenauen Bewegungsdaten versorgt werden. Zu diesem Zweck hat Analog Devices den 3-Achsen-Beschleunigungsmesser ADXL362 entwickelt. Dieser Beschleunigungsmesser bietet 1 mg Auflösung mit bis zu 8 g Reichweite bei einem Verbrauch von nur 3,6 µW bei 100 Hz und ist in einem 3 mm × 3 mm Gehäuse erhältlich.

Optisches AFE

Die Positionierung des Pulsoximeters bringt mehrere Herausforderungen mit sich. Am Handgelenk getragenes SpO₂ Geräte stellen zusätzliche Designherausforderungen, da das interessierende AC-Signal nur 1 % bis 2 % des gesamten empfangenen Lichts auf dem PD ausmacht. Um eine medizinische Zertifizierung zu erlangen und zwischen leichten Schwankungen des Oxyhämoglobinspiegels zu unterscheiden, ist ein höherer Dynamikbereich des Wechselstromsignals erforderlich. Dies kann durch Reduzierung von Umgebungslichtstörungen und Reduzierung des LED-Treibers und des AFE-Rauschens erreicht werden.

Ein erhöhter Dynamikbereich ist für die Messung von SpO₂ . unerlässlich in Szenarien mit geringer Perfusion, und optische AFEs der nächsten Generation wie der ADPD4100 (und ADPD4101) von Analog Devices erreichen bis zu 100 dB SNR. Dieses integrierte optische AFE verfügt über acht integrierte rauscharme Stromquellen und acht separate PD-Eingänge. Der digitale Timing-Controller verfügt über 12 programmierbare Timing-Slots, die es dem Benutzer ermöglichen, eine Reihe von PD- und LED-Sequenzen mit spezifischem LED-Strom, analoger und digitaler Filterung, Integrationsoptionen und Timing-Einschränkungen zu definieren.

Erhöhtes SNR/μW ist ein wichtiger Parameter für die batteriebetriebene kontinuierliche Überwachung. Dieser Schlüsselmetrik wurde durch die Erhöhung des AFE-Dynamikbereichs bei gleichzeitiger Senkung des AFE-Stromverbrauchs Rechnung getragen. Der ADPD4100 beispielsweise hat eine Gesamtleistungsaufnahme von nur 30 μW für eine 75 dB, 25 Hz kontinuierliche PPG-Messung inklusive LED-Versorgung. Eine Erhöhung der Anzahl von Impulsen pro Abtastung (n) führt zu einer (√n) Erhöhung des SNR, während eine Erhöhung des LED-Treiberstroms eine proportionale Erhöhung des SNR zur Folge hat. 1 μW Gesamtsystemverbrauch ergibt 93 dB SNR für eine kontinuierliche PPG-Messung mit einer 4 V LED-Versorgung.

Die automatische Umgebungslichtunterdrückung verringert die Belastung des Host-Mikroprozessors und erreicht gleichzeitig eine Lichtunterdrückung von 60 dB. Dies wird durch LED-Impulse von bis zu 1 μs in Verbindung mit einem Bandpassfilter zur Unterdrückung von Störungen erreicht. In bestimmten Betriebsarten berechnet der ADPD4100 automatisch den Dunkelstrom der Fotodiode oder den Aus-Zustand der LED. Dieses Ergebnis wird vor der Umwandlung im ADC vom LED-Ein-Zustand subtrahiert, um Umgebungslicht sowie Verstärkungsfehler und Drift innerhalb der Fotodiode zu entfernen.

Das Design wird mit anwendungsspezifischen Entwicklungstools weiter vereinfacht. Das ADPD4100 wird beispielsweise mit dem Wearable Evaluation Kit EVAL-ADPD4100-4101 und der ADI Vital Signs Monitoring Study Watch unterstützt. Diese Hardware lässt sich nahtlos mit der ADI Wavetool-Anwendung verbinden, um Bioimpedanz-, EKG-, PPG-Herzfrequenz- und Multiwellenlängen-PPG-Messungen für SpO₂ . zu ermöglichen Entwicklung. In die Studienuhr eingebettet ist ein Algorithmus zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC), der die TIA-Verstärkung und den LED-Strom so abstimmt, dass für alle ausgewählten LED-Wellenlängen ein optimaler Dynamikbereich des Wechselstromsignals bereitgestellt wird.

Finger- und Ohrläppchen-basierte SpO₂ Messwerte sind am einfachsten zu entwerfen, da das Signal-Rausch-Verhältnis aufgrund der Reduzierung von Knochen und Gewebe höher ist als bei einer Handgelenk- oder Brustpositionierung, was auch den Beitrag der DC-Komponente reduziert.

Für solche Anwendungen ermöglichen ein optisches Sensormodul wie das ADPD144RI und ein photometrisches Frontend wie das ADPD1080 Entwicklern, die Designherausforderungen im Zusammenhang mit der Platzierung und Beabstandung von LEDs und PDs schnell zu überspringen, um ein optimales Leistungs-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Dies ist möglich, da der optische Sensor über eine integrierte rote 660-nm-LED, 880-nm-IR-LED und vier PDs in einem 2,8 mm × 5 mm-Gehäuse verfügt. Der Abstand zwischen den LEDs und PD wurde optimiert, um das beste Signal-Rausch-Verhältnis für SpO₂ . zu erzielen PPG-Messungen mit hoher Genauigkeit. Das Gerät wurde auch mechanisch optimiert, um optisches Übersprechen so weit wie möglich zu reduzieren, selbst wenn der Sensor unter einem einzigen Glasfenster platziert wird.

Der ADPD1080 ist ein integriertes optisches AFE mit drei LED-Treiberkanälen und zwei PD-Stromeingangskanälen in einem 17-Ball, 2,5 mm × 1,4 mm WLLCSP. Dieses AFE eignet sich gut für kundenspezifische PPG-Produkte mit geringer Kanalzahl, bei denen der Platz auf der Platine kritisch ist.

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Abbildung 3. ADPD410X-Blockdiagramm. (Quelle:Analog Devices)

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Abbildung 4. ADPD4100 gleichzeitige Rot- (rechts) und IR- (links) PPG-Messung. (Quelle:Analog Devices)

Referenzen

1. Toshiyo Tamura. „Aktuelle Fortschritte bei Photoplethysmographie und SpO2 zur Gesundheitsüberwachung.“ Biomedical Engineering Letters , Februar 2019.
2. Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken-Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka und Takehiro Yamakoshi. „Vergleich zwischen Rot-Grün- und Blaulicht-Reflexions-Photoplethysmographie zur Überwachung der Herzfrequenz während der Bewegung.“ 2013 3 5. Internationale Jahreskonferenz der IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) , Juli 2013.

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Robert Finnerty ist Systemanwendungsingenieur bei Analog Devices, wo er in der Digital Healthcare Group mit Sitz in Limerick, Irland, arbeitet. Er arbeitet eng mit der Vital Signs Monitoring Group zusammen und konzentriert sich dabei auf optische und Impedanzmesslösungen. Rob trat der Präzisionskonverter-Gruppe bei ADI im Jahr 2012 bei und hat sich auf Präzisionsmessungen mit geringer Bandbreite konzentriert. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik (B.E.E.E) der National University of Ireland Galway (NUIG). Er kann unter [email protected] erreicht werden.

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