Ontwerpen van een superieure pulsoximeter: implementatie-inzichten

Het ontwerpen van medische apparaten die zowel gebruiksvriendelijk als stroom-efficiënt zijn, is cruciaal vandaag. Dit artikel detailt de praktische stappen en ontwerp-overwegingen voor het bouwen van een next-generation pulsoximeter.

Het voorgaande artikel legde puloximeter-specificaties uit; hier duiken we in cruciale ontwerpkeuzes – transmissieve versus reflectieve configuraties, optimale sensorplaatsing, perfusie-index-optimalisatie, bewegingsartefact-reductie, en de nuances van het integreren van een optische analog front-end.

Transmissief vs. Reflectief

Een photoplethysmografisch (PPG) signaal kan gevangen worden met behulp van een transmissieve of een reflectieve LED-PD-arrangement. In een transmissieve opstelling passeert niet-geabsorbeerd licht door het lichaamsdeel, wat het ideaal maakt voor hoge-capillaire-dichtheid-sites zoals de vinger of oorlap. Deze arrangement biedt een 40dB-60dB boost in de perfusie-index (PI) en levert stabielere, herhaalbare metingen die minder beïnvloed zijn door kleine plaatsingsveranderingen.

Reflectieve PPG-configuraties worden bevorzugd wanneer de fotodiodo (PD) en LED naast elkaar moeten zitten, zoals in pols- of borst-gedragen wearables. De configuratie kan nog steeds nauwkeurige data leveren als het optische pad en filtering zorgvuldig beheerd worden.

Figuur 1. LED-PD-configuratie. (Bron: Analog Devices)

Sensorpositionering en perfusie-index

Wanneer een sensor op de pols of borst geplaatst wordt, moet de PPG-analoge-front-end (AFE) een groter dynamisch bereik accommoderen omdat de DC-component van het signaal geamplificeerd wordt door diepere arteriën, subcutane weefsels, huid, en bot. Een hogere PI – typisch 1% tot 2% voor pols-gedragen SpO₂-apparaten – vereist ofwel mechanische optimalisatie of een breder AFE-bereik om algoritme-onzekerheid te reduceren.

De LED-tot-PD-afstand beïnvloedt de PI kritiek. Te dicht een gap verhoogt crosstalk of backscatter, wat ongewenste DC toevoegt en de AFE potentiëel verzadigt. Een grotere scheiding mitigeert deze effecten maar verlaagt de current-transformer-ratio (CTR), wat signaalefficiëntie kan reduceren en hogere LED-drijfstromen necessiteren.

Snel pulserende LEDs – hetzij afzonderlijk of in een multi-LED-burst – snijdt 1/f-ruis en stelt gesynchroniseerde modulatie bij de ontvanger in staat, wat omgevingslicht-interferentie effectief cancelleert. Het integreren van meerdere pulsen verhoogt de PD-signaalamplitude terwijl gemiddeld stroomverbruik laag blijft. Het uitbreiden van het PD-gebied verbetert ook CTR door meer gereflecteerd licht te vangen.

Hartslag (HR) PPG gebruikt vaak een enkele grote PD gepaard met diverse laagstroom-groene LEDs. Groene LEDs bieden superieure bewegingsartefact-weerstand maar vereisen meer forward-spanning en hogere dryfstroom dan rode of IR LEDs. De meeste SpO₂-systemen, die meerdere golflengtes nodig hebben, adopteren daarom een groen-rood-IR LED-array omringd door diverse PD's. De Analog Devices VSM-horloge (Figuur 2) vertoont deze benadering, met geoptimaliseerde LED-PD-afstand en een baffle-ontwerp dat backscatter en crosstalk vermindert.

Figuur 2. ADI VSM-horloge V4, baffle, en LED-PD-array. (Bron: Analog Devices)

Meerdere prototypes van de ADI VSM-horloge werden geëvalueerd om de meest efficiënte LED-PD-afstand voor gecombineerde HR- en SpO₂-meting te bepalen.

Bewegingsartefacten

Beweging is een van de meest formidabele uitdagingen in PPG-meting. Beweging verandert vaatwijdte en druk, wat de hoeveelheid licht die geabsorbeerd wordt door de PD verandert. In een ideaal scenario – een oneindig brede PD die een oneindige weefseldiepte bedekt – zou geen bewegingsartefact verschijnen. Praktisch, het vergroten van PD-gebied en het aanwenden van zorgvuldige filtering reduceren artefact-impact, maar de AFE moet ook lage capaciteit behouden om bandbreedte te behouden.

Typische PPG-frequenties variëren van 0,5Hz tot 5Hz, terwijl bewegingsartefacten 0,01Hz tot 10Hz beslaan. Conventionele bandpas-filtering kan deze overlappende componenten niet isoleren; in plaats daarvan zijn adaptieve filters die hoge-resolutie-bewegingsdata consumeren vereist. Analog Devices' ADXL362 3-as-accelerometer, biedend 1mg-resolutie over een 8g-bereik terwijl slechts 3,6µW trekt bij 100Hz, levert de benodigde bewegingsmetrieken in een 3mm × 3mm-pakket.

Optische AFE

Pols-gemonteerde SpO₂-apparaten confronteren een unieke hindernis: het AC-signaal van belang is slechts 1%-2% van het totale licht ontvangen door de PD. Het bereiken van medische-graad-nauwkeurigheid onder deze omstandigheden vereist een hoog-dynamisch-bereik AFE dat omgevingslicht-intrusie minimaliseert en LED-driver- en AFE-ruis vermindert.

Next-generation optische AFEs zoals Analog Devices' ADPD4100 (en ADPD4101) leveren tot 100dB SNR. Deze geïntegreerde front-end herbergt acht laag-ruis-stroombronnen en acht afzonderlijke PD-inputs. De digitale timing-controller biedt 12 programmeerbare slots, wat ontwikkelaars in staat stelt om LED-stromen, analoge en digitale filtering, integratie-timing, en andere parameters aan te passen.

Het optimaliseren van SNR per microwatt (µW) is cruciaal voor batterij-aangedreven continue monitoring. De ADPD4100 kan 75dB SNR bereiken bij 25Hz terwijl slechts 30µW verbruikt – inclusief LED-voeding – tijdens continue PPG-acquisitie. Het verhogen van het aantal pulsen per sample verhoogt SNR met √n, en het verhogen van LED-drijfstroom schaalt SNR proportioneel. Een totale systeemtrekking van 1µW kan 93dB SNR bereiken wanneer aangedreven door een 4V LED-voeding.

Automatische omgevingslicht-rejectie vereenvoudigt host-microcontroller-verantwoordelijkheden, wat 60dB licht-isolatie biedt door 1µs LED-pulsen en een bandpas-filter. De ADPD4100 kan ook de PD's donkerstroom (LED-uit-staat) berekenen en aftrekken van de aan-staat-meting, wat omgevingslicht, versterkingsfouten, en drift elimineert.

Ontwikkeling wordt gestroomlijnd door tools zoals de EVAL-ADPD4100-4101 wearable-evaluatiekit en de ADI Vital Signs Monitoring Study Watch. Deze platforms integreren naadloos met de ADI WaveTool-applicatie, wat bioimpedantie, ECG, PPG-hartslag, en multi-golflengte SpO₂-metingen mogelijk maakt. Een ingesloten automatische-versterkingscontrole (AGC)-algoritme past dynamisch de transimpedantie-versterker (TIA)-versterking en LED-stroom aan om optimale AC-dynamische-reeks over golflengtes te behouden.

Vinger- en oorlap-SpO₂-metingen zijn inherent eenvoudiger te ontwerpen voor, aangezien de hogere SNR van verminderde bot- en weefseldikte de DC-component vermindert en nauwkeurigheid verbetert.

Voor dergelijke applicaties, sensor-modules zoals de ADPD144RI en front-ends zoals de ADPD1080 staan snelle prototyping toe. De ADPD144RI huisvest een 660nm rode LED, een 880nm IR-LED, en vier PD's in een 2,8mm × 5mm-pakket, met geoptimaliseerde spacing voor maximale SNR. De ADPD1080 is een geïntegreerde AFE met drie LED-drivers en twee PD-inputs in een 2,5mm × 1,4mm WLLCSP, ideaal voor compacte, laag-kanaal-count-ontwerpen.

Figuur 3. ADPD410X-blokdiagram. (Bron: Analog Devices)

Figuur 4. ADPD4100 gelijktijdige rode (rechts) en IR (links) PPG-meting. (Bron: Analog Devices)

Referenties

1. Toshiyo Tamura. "Current Progress of Photoplethysmography and SpO₂ for Health Monitoring." Biomedical Engineering Letters, februari 2019.
2. Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken-Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka, en 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.

Gerelateerde Inhoud:

• Hoe een betere pulsoximeter te ontwerpen: Specificaties
• Manschet-loos apparaat levert klinisch nauwkeurige bloeddruk-metingen
• mmWave-radar gebruiken voor vitale-teken-monitoring
• Ontwerp-kit meet bloeddruk met optische sensor
• Gespecialiseerde sensoren ondersteunen healthcare-wearables
• Wanneer nauwkeurigheid telt: Technologieën beoordelen voor een sociale-distancing-wearable

Voor meer Embedded, abonneer je op Embedded's wekelijkse e-mail-nieuwsbrief.