Design eines überlegenen Pulsoximeters: Implementierungs-Einblicke

Das Design medizinischer Geräte, die sowohl benutzerfreundlich als auch energieeffizient sind, ist heute entscheidend. Dieser Artikel beschreibt die praktischen Schritte und Designüberlegungen für den Bau eines nächsten-Generation Pulsoximeters.

Der vorangehende Artikel erklärte Pulsoximeter-Spezifikationen; hier tauchen wir in wichtige Designentscheidungen ein – transmissive versus reflektive Konfigurationen, optimale Sensorplatzierung, Perfusionsindex-Optimierung, Bewegungsartefakt-Reduktion und die Nuancen der Integration eines optischen Analog-Frontends.

Transmissiv vs. Reflektiv

Ein Photoplethysmografie (PPG) Signal kann entweder mit einer transmissiven oder reflektiven LED-PD-Anordnung erfasst werden. In einem transmissiven Setup passiert das nicht absorbierte Licht den Körperteil, was es ideal für hochkapillardichte Stellen wie Finger oder Ohrläppchen macht. Diese Anordnung bietet einen 40 dB–60 dB Boost im Perfusionsindex (PI) und liefert stabilere, reproduzierbare Messwerte, die weniger von kleinen Platzierungsänderungen beeinflusst werden.

Reflektive PPG-Konfigurationen werden bevorzugt, wenn Photodiode (PD) und LED nebeneinander sitzen müssen, wie bei Handgelenk- oder Brust-tragbaren Wearables. Die Konfiguration kann dennoch genaue Daten liefern, wenn der optische Pfad und die Filterung sorgfältig gemanagt werden.

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

Sensorpositionierung und Perfusionsindex

Wenn ein Sensor am Handgelenk oder an der Brust platziert wird, muss das PPG Analog-Frontend (AFE) einen größeren Dynamikbereich accommodieren, da die DC-Komponente des Signals durch tiefere Arterien, subkutanes Gewebe, Haut und Knochen verstärkt wird. Ein höherer PI – typischerweise 1 % bis 2 % für Handgelenk-getragene SpO₂-Geräte – erfordert entweder mechanische Optimierung oder einen breiteren AFE-Bereich, um Algorithmus-Unsicherheit zu reduzieren.

Der LED-zu-PD-Abstand beeinflusst den PI kritisch. Ein zu kleiner Abstand erhöht Crosstalk oder Backscatter, fügt unerwünschte DC hinzu und kann das AFE sättigen. Eine größere Separation mildert diese Effekte, senkt aber das Stromübertragungsverhältnis (CTR), was die Signaleffizienz reduzieren und höhere LED-Ansteuerströme erforderlich machen kann.

Schnelles Pulsieren der LEDs – entweder einzeln oder in einem Multi-LED-Burst – schneidet 1/f-Rauschen ab und ermöglicht synchronisierte Modulation am Empfänger, was Umgebungslichtstörungen effektiv kompensiert. Die Integration mehrerer Pulse erhöht die PD-Signalamplitude, während der durchschnittliche Stromverbrauch niedrig bleibt. Die Vergrößerung der PD-Fläche verbessert auch den CTR, indem mehr reflektiertes Licht eingefangen wird.

Herzfrequenz (HR) PPG nutzt oft eine einzelne große PD, gepaart mit mehreren Low-Power grünen LEDs. Grüne LEDs bieten überlegene Bewegungsartefakt-Unterdrückung, erfordern aber mehr Vorwärtsspannung und höhere Ansteuerleistung als rote oder IR LEDs. Die meisten SpO₂-Systeme, die mehrere Wellenlängen benötigen, setzen daher auf ein Grün-Rot-IR LED-Array, umgeben von mehreren PDs. Die Analog Devices VSM Watch (Abbildung 2) exemplifiziert diesen Ansatz mit optimiertem LED-PD-Abstand und Baffle-Design, das Backscatter und Crosstalk reduziert.

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

Mehrere Prototypen der ADI VSM Watch wurden evaluiert, um den effizientesten LED-PD-Abstand für kombinierte HR- und SpO₂-Messung zu bestimmen.

Bewegungsartefakte

Bewegung ist eine der größten Herausforderungen bei PPG-Messungen. Bewegung ändert Gefäßbreite und Druck, was die Lichtabsorption an der PD verändert. In einem idealen Szenario – einer unendlich breiten PD, die unendliche Gewebetiefe abdeckt – würde kein Bewegungsartefakt auftreten. Praktisch reduzieren größere PD-Fläche und sorgfältiges Filtern den Artefakt-Einfluss, aber das AFE muss auch niedrige Kapazität beibehalten, um Bandbreite zu bewahren.

Typische PPG-Frequenzen reichen von 0,5 Hz bis 5 Hz, während Bewegungsartefakte 0,01 Hz bis 10 Hz umfassen. Konventionelles Bandpass-Filtern kann diese überlappenden Komponenten nicht isolieren; stattdessen sind adaptive Filter erforderlich, die hochauflösende Bewegungsdaten einlesen. Analog Devices’ ADXL362 3-Achsen-Beschleunigungsmesser, der 1 mg Auflösung über 8 g Bereich bei nur 3,6 µW bei 100 Hz bietet, liefert die notwendigen Bewegungsmetriken in einem 3 mm × 3 mm Gehäuse.

Optisches AFE

Handgelenk-getragene SpO₂-Geräte stehen vor einer einzigartigen Hürde: Das AC-Signal von Interesse beträgt lediglich 1 %–2 % des gesamten von der PD empfangenen Lichts. Medizinische Genauigkeit unter diesen Bedingungen zu erreichen, erfordert ein High-Dynamic-Range AFE, das Umgebungslicht-Einstrahlung minimiert und LED-Treiber- sowie AFE-Rauschen reduziert.

Next-Generation optische AFEs wie Analog Devices’ ADPD4100 (und ADPD4101) liefern bis zu 100 dB SNR. Dieses integrierte Frontend beherbergt acht Low-Noise-Stromquellen und acht separate PD-Eingänge. Sein digitaler Timing-Controller bietet 12 programmierbare Slots, die Entwicklern erlauben, LED-Ströme, analoge und digitale Filterung, Integrationstiming und andere Parameter anzupassen.

Die Optimierung von SNR pro Mikrowatt (µW) ist entscheidend für batteriebetriebenes kontinuierliches Monitoring. Der ADPD4100 kann 75 dB SNR bei 25 Hz erreichen, während er nur 30 µW – inklusive LED-Versorgung – während kontinuierlicher PPG-Akquisition verbraucht. Die Erhöhung der Pulszahl pro Sample boostet SNR um √n, und die Erhöhung des LED-Ansteuerstroms skaliert SNR proportional. Ein Gesamtsystemverbrauch von 1 µW kann 93 dB SNR erreichen, wenn er von einer 4 V LED-Versorgung gespeist wird.

Automatische Umgebungslichtunterdrückung vereinfacht Host-Mikrocontroller-Aufgaben und bietet 60 dB Lichtisolation durch 1 µs LED-Pulse und ein Bandpassfilter. Der ADPD4100 kann auch den Dunkelstrom der PD (LED aus) berechnen und vom Ein-Zustand-Messwert abziehen, was Umgebungslicht, Gain-Fehler und Drift eliminiert.

Die Entwicklung wird durch Tools wie das EVAL-ADPD4100-4101 Wearable Evaluation Kit und die ADI Vital Signs Monitoring Study Watch gestrafft. Diese Plattformen integrieren sich nahtlos mit der ADI WaveTool Applikation, die Bioimpedanz, EKG, PPG Herzfrequenz und Multi-Wellenlängen SpO₂ Messungen ermöglicht. Ein eingebetteter Automatic Gain Control (AGC) Algorithmus stimmt dynamisch den Transimpedanzverstärker (TIA) Gain und LED-Strom ab, um optimalen AC-Dynamikbereich über Wellenlängen zu erhalten.

Finger- und Ohrläppchen-SpO₂-Messungen sind inhärent einfacher zu designen, da der höhere SNR durch reduzierte Knochen- und Gewebestärke die DC-Komponente verringert und die Genauigkeit verbessert.

Für solche Applikationen ermöglichen Sensormodule wie der ADPD144RI und Frontends wie der ADPD1080 schnelles Prototyping. Der ADPD144RI beherbergt eine 660 nm rote LED, eine 880 nm IR LED und vier PDs in einem 2,8 mm × 5 mm Gehäuse, mit optimiertem Abstand für maximalen SNR. Der ADPD1080 ist ein integriertes AFE mit drei LED-Treibern und zwei PD-Eingängen in einem 2,5 mm × 1,4 mm WLLCSP, ideal für kompakte, niedrige Kanalzahl Designs.

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

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

Referenzen

1. Toshiyo Tamura. „Current Progress of Photoplethysmography and SpO₂ for Health Monitoring.“ Biomedical Engineering Letters, Februar 2019.
2. Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken‑Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka, und Takehiro Yamakoshi. „Comparison Between Red, Green and Blue Light Reflection Photoplethysmography for Heart Rate Monitoring During Motion.“ 2013 5th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Juli 2013.

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Robert Finnerty ist Systems Applications Engineer bei Analog Devices, wo er in der Digital Healthcare Group in Limerick, Irland, arbeitet. Er kollaboriert eng mit der Vital Signs Monitoring Group, fokussiert auf optische und Impedanzmesslösungen. Rob trat 2012 der Precision Converters Group bei ADI bei und hat sich auf Low-Bandwidth-Präzisionsmessung spezialisiert. Er hält einen Bachelor in Elektronik- und Elektrotechnik (B.E.E.E) von der National University of Ireland Galway (NUIG). Er ist erreichbar unter rob.finnerty@analog.com.

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