Een betere pulsoximeter ontwerpen:implementatie

Het is belangrijker dan ooit om medische apparaten te ontwerpen die handiger in gebruik en verbruiken minder stroom. Dit artikel bespreekt het ontwerp en de implementatie van een effectievere pulsoximeter.

In het eerste artikel van deze tweedelige serie hebben we de technische specificaties van een pulsoximeter behandeld. In dit artikel behandelen we ontwerpoverwegingen zoals doorlatend versus reflecterend, sensorpositionering, perfusie-index, bewegingsartefacten en specifieke kenmerken van ontwerpen met een optische AFE.

Doorlatend versus reflecterend

Een PPG-signaal kan worden verkregen met behulp van een doorlatende of reflecterende LED- en PD-configuratie. Een doorlatende configuratie meet het niet-geabsorbeerde licht dat door een deel van het lichaam gaat. Deze configuratie is het meest geschikt voor gebieden zoals de vinger en oorlel waar de meting profiteert van de capillaire dichtheid van deze lichaamslocaties, waardoor de metingen stabieler, repetitief en minder gevoelig zijn voor variaties in plaatsing. Doorlatende configuraties bereiken een toename van 40 dB tot 60 dB in de perfusie-index.

Reflecterende PPG-configuraties worden gekozen wanneer de PD en LED praktisch naast elkaar moeten worden geplaatst, zoals bij apparaten die om de pols of op de borst worden gedragen.

Figuur 1. Configuratie LED-PD. (Bron:Analoge apparaten)

Sensorpositionering en perfusie-index

Positionering op de pols en borst vereist een groter dynamisch bereik in de PPG AFE, aangezien het DC-signaal sterk wordt verhoogd vanwege de diepte van de slagaders onder statisch reflecterende componenten zoals huid, vet en bot.

Een grotere resolutie in de PPG-metingen zal de onzekerheid in de SpO₂ . verminderen algoritme. Met een typische PI van 1% tot 2% voor op de pols gedragen SpO₂ sensoren, is het doel van het ontwerp van een pulsoximeter om de PI te verhogen door middel van mechanisch ontwerp of om het dynamisch bereik te vergroten.

De afstand van de LED tot PD heeft een groot effect op de PI. Te weinig tussenruimte vergroot de LED-naar-PD-overspraak of backscatter. Dit verschijnt als een gelijkstroomsignaal en verzadigt de AFE.

Het vergroten van deze afstand vermindert het effect van zowel terugverstrooiing als overspraak, maar vermindert ook de stroomtransformatorverhouding (CTR), wat de LED-uitgang naar PD-retourstroom is. Dit heeft invloed op de efficiëntie van het PPG-systeem en vereist meer LED-vermogen om het dynamische AFE-bereik te maximaliseren.

Het snel pulseren van een of meerdere LED's heeft het voordeel dat de 1/f-ruisbijdrage aan het totale signaal wordt verminderd. Het pulseren van de LED's maakt het ook mogelijk om gesynchroniseerde modulatie aan de ontvangstzijde te gebruiken om storende omgevingslicht te elimineren. Het integreren van meerdere pulsen verhoogt de PD-signaalamplitude en verlaagt het gemiddelde stroomverbruik. Door het totale PD-gebied te vergroten, neemt ook de CTR toe naarmate meer reflecterend licht wordt opgevangen.

Voor PPG-meting van de hartslag is een combinatie van een enkele grote PD en meerdere energiezuinige groene LED's door veel fabrikanten van HR-apparaten gebruikt voor gebruik op plaatsen waar de bloedstroom beperkt is. Groene LED's zijn gekozen vanwege hun hoge mate van afwijzing van bewegingsartefacten. Dit gaat echter ten koste van het vermogen. Groene LED's hebben een hogere voorwaartse spanning dan rode en IR en een hoge absorptie in menselijk weefsel, wat betekent dat er een hoger LED-vermogen nodig is om zinvolle hartinformatie terug te sturen.

Als SpO₂ vereist meerdere golflengten en de meeste systemen bevatten nog steeds zeer efficiënte groene LED's voor de HR PPG, de meest gebruikelijke configuratie voor HR en SpO₂ PPG-systemen zijn een enkele groene, rode en IR LED-array omgeven door meerdere PD's, zoals te zien is op het ADI VSM-horloge in afbeelding 2. De afstand tussen PD en LED is geoptimaliseerd om terugverstrooiing te verminderen en het ontwerp van de schot vermindert overspraak van LED tot PD.

Afbeelding 2. ADI VSM horloge V4, baffle en LED DP-array. (Bron:Analoge apparaten)

Er zijn meerdere prototypes van het ADI VSM-horloge getest om de meest efficiënte PD-naar-LED-afstand voor onze HR PPG en SpO₂ te verifiëren meting.

Bewegingsartefacten

Bewegingsartefacten vormen een van de grootste ontwerpuitdagingen voor een PPG-meetsysteem. Wanneer beweging aanwezig is, verandert de breedte van de slagaders en aders als gevolg van druk. De hoeveelheid licht die door de fotodiode wordt geabsorbeerd verandert en dit is aanwezig op het PPG-signaal omdat fotonen anders worden geabsorbeerd of gereflecteerd dan wanneer een lichaam in rust is.

Voor een oneindig breed fotodiodegebied dat een oneindig lang diep weefselmonster beslaat, zullen alle fotonen uiteindelijk naar de fotodiode worden gereflecteerd. In dit geval wordt er geen artefact door beweging gedetecteerd. Dit kan echter niet worden bereikt; de oplossing is om het fotodiode-oppervlak te vergroten, rekening houdend met de capaciteit:het verlagen van de AFE en het filteren van bewegingsartefacten.

De normale frequentie voor een PPG-signaal ligt tussen 0,5 Hz en 5 Hz, terwijl bewegingsartefacten doorgaans tussen 0,01 Hz en 10 Hz liggen. Eenvoudige banddoorlaatfiltertechnieken kunnen niet worden gebruikt om bewegingsartefacten uit het PPG-signaal te verwijderen. Om bewegingsonderdrukking met hoge nauwkeurigheid te bereiken, moet een adaptief filter worden geleverd met zeer nauwkeurige bewegingsgegevens. Hiervoor heeft Analog Devices de ADXL362 3-assige accelerometer ontwikkeld. Deze versnellingsmeter levert 1 mg resolutie met maximaal 8 g bereik bij een verbruik van slechts 3,6 μW bij 100 Hz en is verkrijgbaar in een verpakking van 3 mm × 3 mm.

Optische AFE

De positionering van de pulsoximeter brengt verschillende uitdagingen met zich mee. Om de pols gedragen SpO₂ apparaten bieden extra ontwerpuitdagingen, aangezien het van belang zijnde AC-signaal slechts 1% tot 2% van het totale ontvangen licht op de PD is. Om certificering van medische kwaliteit te behalen en onderscheid te maken tussen kleine variaties in oxyhemoglobineniveaus, is een hoger dynamisch bereik op het AC-signaal vereist. Dit kan worden bereikt door interferentie van omgevingslicht te verminderen en LED-driver- en AFE-ruis te verminderen.

Verhoogd dynamisch bereik is essentieel om SpO₂ . te meten onder scenario's met lage perfusie en optische AFE's van de volgende generatie, zoals de ADPD4100 (en ADPD4101) van Analog Devices, bereiken een SNR tot 100 dB. Deze geïntegreerde optische AFE heeft acht ingebouwde geluidsarme stroombronnen en acht afzonderlijke PD-ingangen. De digitale timingcontroller heeft 12 programmeerbare timingslots waarmee de gebruiker een reeks PD- en LED-reeksen kan definiëren met specifieke LED-stroom, analoge en digitale filtering, integratie-opties en timingbeperkingen.

Verhoogde SNR/μW is een belangrijke parameter voor continue bewaking op batterijen. Deze belangrijke statistiek is aangepakt door het dynamische AFE-bereik te vergroten en tegelijkertijd het AFE-stroomverbruik te verlagen. De ADPD4100 heeft bijvoorbeeld een totaal stroomverbruik van slechts 30 μW voor een 75 dB, 25 Hz continue PPG-meting inclusief de LED-voeding. Het verhogen van het aantal pulsen per monster (n) zal resulteren in een (√n) toename in SNR, terwijl het verhogen van de LED-aandrijfstroom een ​​proportionele toename in SNR zal hebben. Het totale systeemverbruik van 1 μW levert 93 dB SNR op voor een continue PPG-meting met een 4 V LED-voeding.

Automatische onderdrukking van omgevingslicht vermindert de belasting van de host-microprocessor en bereikt 60 dB lichtonderdrukking. Dit wordt bereikt met behulp van LED-pulsen tot 1 s in combinatie met een banddoorlaatfilter om interferentie te onderdrukken. In bepaalde bedrijfsmodi berekent de ADPD4100 automatisch de donkerstroom van de fotodiode of de status LED uit. Dit resultaat wordt afgetrokken van de LED-aan-status vóór conversie in de ADC om omgevingslicht te verwijderen, evenals versterkingsfouten en drift binnen de fotodiode.

Het ontwerp wordt verder vereenvoudigd met toepassingsspecifieke ontwikkelingstools. De ADPD4100 wordt bijvoorbeeld ondersteund met de EVAL-ADPD4100-4101 draagbare evaluatiekit en ADI Vital Signs Monitoring Study Watch. Deze hardware sluit naadloos aan op de ADI Wavetool-applicatie om bio-impedantie, ECG, PPG-hartslag en PPG-metingen met meerdere golflengten voor SpO₂ mogelijk te maken ontwikkeling. Ingebed in het studiehorloge is een AGC-algoritme (Automatic Gain Control) dat de TIA-versterking en LED-stroom afstemt om een ​​optimaal dynamisch AC-signaalbereik te leveren voor alle geselecteerde LED-golflengten.

Op vinger en oorlel gebaseerde SpO₂ metingen zijn het gemakkelijkst te ontwerpen omdat de signaal-ruisverhouding hoger is dan bij pols- of borstpositionering vanwege de vermindering van bot en weefsel, wat ook de bijdrage van de DC-component vermindert.

Voor dergelijke toepassingen stellen een optische sensormodule zoals de ADPD144RI en een fotometrische front-end zoals de ADPD1080 ontwikkelaars in staat om snel de ontwerpuitdagingen van LED- en PD-plaatsing en -afstand over te slaan om optimale vermogen-ruisverhoudingen te bereiken. Dit is mogelijk omdat de optische sensor een geïntegreerde rode 660 nm LED, 880 nm IR LED en vier PD's in een 2,8 mm × 5 mm verpakking heeft. De afstand tussen de LED's en PD is geoptimaliseerd om de beste signaal-ruisverhouding voor SpO₂ te geven hoge nauwkeurigheid PPG-metingen. Het apparaat is ook mechanisch geoptimaliseerd om optische overspraak zo veel mogelijk te verminderen, zelfs wanneer de sensor onder een enkel glas wordt geplaatst.

De ADPD1080 is een geïntegreerde optische AFE met drie LED-aandrijfkanalen en twee PD-stroomingangskanalen in een 17-ball, 2,5 mm × 1,4 mm WLLCSP. Deze AFE werkt goed voor op maat ontworpen PPG-producten met een laag aantal kanalen, waarbij de bordruimte van cruciaal belang is.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 3. ADPD410X blokschema. (Bron:Analoge apparaten)

klik voor afbeelding op volledige grootte

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

Referenties

1. Toshiyo Tamura. "Huidige voortgang van fotoplethysmografie en SpO2 voor gezondheidsmonitoring." Brieven over biomedische technologie , februari 2019.
2. Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken-Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka en Takehiro Yamakoshi. "Vergelijking tussen roodgroen en blauw lichtreflectiefotoplethysmografie voor hartslagbewaking tijdens beweging." 2013 3 5e Jaarlijkse internationale conferentie van de IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) , juli 2013.

---

Robert Finnerty is systeemapplicatie-engineer bij Analog Devices, waar hij werkt bij de Digital Healthcare Group in Limerick, Ierland. Hij werkt nauw samen met de Vital Signs Monitoring Group, gericht op optische en impedantiemeetoplossingen. Rob trad in 2012 toe tot de groep Precision Converters binnen ADI en heeft zich gericht op precisiemetingen met een lage bandbreedte. Hij heeft een bachelor in elektronische en elektrotechniek (B.E.E.E) van de National University of Ireland Galway (NUIG). Hij is te bereiken via [email protected].

---

Verwante inhoud:

• Een betere pulsoximeter ontwerpen:specificaties
• Het manchetloze apparaat levert klinisch nauwkeurige bloeddrukmetingen
• mmWave-radar gebruiken voor het bewaken van vitale functies
• Ontwerpkit meet bloeddruk met optische sensor
• Gespecialiseerde sensoren ondersteunen wearables in de gezondheidszorg
• Als nauwkeurigheid belangrijk is:technologieën beoordelen voor een wearable met sociale afstand

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.