Как разработать лучший пульсоксиметр:реализация

Как никогда важно разрабатывать медицинские устройства, которые более удобен в использовании и потребляет меньше энергии. В этой статье обсуждается конструкция и реализация более эффективного пульсоксиметра.

В первой статье этой серии из двух частей мы рассмотрели технические характеристики пульсоксиметра. В этой статье мы рассмотрим такие аспекты проектирования, как пропускающий и отражающий, позиционирование датчика, индекс перфузии, артефакты движения и особенности проектирования с оптическим AFE.

Передаточное и отражающее

Сигнал PPG может быть получен с помощью пропускающего или отражающего светодиода и конфигурации частичного разряда. Проходящая конфигурация измеряет непоглощенный свет, прошедший через часть тела. Эта конфигурация лучше всего подходит для таких областей, как палец и мочка уха, где измерения выигрывают от плотности капилляров в этих местах тела, что делает измерения более стабильными, повторяющимися и менее чувствительными к изменениям положения. В трансмиссионных конфигурациях индекс перфузии увеличивается на 40–60 дБ.

Светоотражающие конфигурации PPG выбираются, когда PD и светодиод должны быть размещены рядом друг с другом для практичности, например, с устройствами для ношения на запястье или груди.

Рисунок 1. Конфигурация LED-PD. (Источник:Analog Devices)

Индекс позиционирования сенсора и перфузии

Позиционирование на запястье и груди требует большего динамического диапазона в PPG AFE, поскольку сигнал постоянного тока значительно увеличивается из-за глубины артерий ниже статических отражающих компонентов, таких как кожа, жир и кости.

Более высокое разрешение в измерениях PPG уменьшит неопределенность в SpO ₂ алгоритм. При типичном PI от 1% до 2% для носимого на запястье SpO ₂ датчиков, цель конструкции пульсового оксиметра - увеличить PI за счет механической конструкции или увеличить динамический диапазон.

Расстояние между светодиодами и PD будет иметь большое влияние на PI. Слишком малое расстояние приведет к увеличению перекрестных помех или обратного рассеяния светодиодами частичных разрядов. Это будет отображаться как сигнал постоянного тока и насыщать AFE.

Увеличение этого интервала уменьшает влияние как обратного рассеяния, так и перекрестных помех, но также снижает коэффициент трансформации тока (CTR), который представляет собой выход светодиода к обратному току частичных разрядов. Это повлияет на эффективность системы PPG и потребует большей мощности светодиода для максимального увеличения динамического диапазона AFE.

Быстро пульсирующий один или несколько светодиодов позволяет снизить вклад шума 1 / f в общий сигнал. Импульсное управление светодиодами также позволяет использовать синхронизированную модуляцию на приемной стороне для устранения источников помех от окружающего света. Интеграция нескольких импульсов увеличивает амплитуду сигнала частичных разрядов и снижает среднее потребление тока. Увеличение общей площади частичных разрядов также увеличивает CTR по мере захвата большего количества отраженного света.

Для измерения пульса PPG многие производители устройств для измерения сердечного ритма используют комбинацию одного большого PD и нескольких энергоэффективных зеленых светодиодов в местах с ограниченным кровотоком. Зеленые светодиоды выбраны из-за их сильного подавления артефактов движения. Однако это происходит за счет мощности. Зеленые светодиоды имеют более высокое прямое напряжение, чем красные и инфракрасные светодиоды, и имеют высокое поглощение в тканях человека, а это означает, что для получения достоверной сердечной информации требуется более высокая мощность светодиода.

Как SpO ₂ требует нескольких длин волн, и в большинстве систем по-прежнему используются высокоэффективные зеленые светодиоды для HR PPG, наиболее распространенной конфигурации для HR и SpO ₂ Системы PPG представляют собой единую матрицу зеленых, красных и инфракрасных светодиодов, окруженную множеством PD, как видно на часах ADI VSM на рисунке 2. Расстояние между частями и светодиодами было оптимизировано для уменьшения обратного рассеяния, а конструкция перегородки снижает перекрестные помехи между светодиодами и частями. / P>

Рис. 2. Часы ADI VSM V4, перегородка и светодиодный массив DP. (Источник:Analog Devices)

Несколько прототипов часов ADI VSM были испытаны для проверки наиболее эффективного расстояния между частями и светодиодами для наших HR PPG и SpO ₂ измерение.

Артефакты движения

Артефакты движения создают одну из самых серьезных проблем при проектировании системы измерения PPG. При движении ширина артерий и вен изменяется из-за давления. Количество света, поглощаемого фотодиодом, изменяется, и это присутствует в сигнале PPG, потому что фотоны поглощаются или отражаются иначе, чем когда тело находится в состоянии покоя.

Для бесконечно широкой области фотодиода, покрывающей бесконечно длинный образец глубокой ткани, все фотоны в конечном итоге будут отражаться на фотодиод. В этом случае никаких артефактов, связанных с движением, обнаружено не будет. Однако этого нельзя достичь; Решение состоит в том, чтобы увеличить площадь фотодиода с учетом емкости - снизить AFE и обеспечить фильтрацию артефактов движения.

Нормальная частота сигнала PPG составляет от 0,5 Гц до 5 Гц, в то время как артефакты движения обычно находятся в диапазоне от 0,01 Гц до 10 Гц. Простые методы полосовой фильтрации нельзя использовать для удаления артефактов движения из сигнала PPG. Чтобы добиться высокой точности подавления движения, адаптивный фильтр должен поставляться с высокоточными данными о движении. Для этого компания Analog Devices разработала 3-осевой акселерометр ADXL362. Этот акселерометр обеспечивает 1 метр g разрешение до 8 g диапазона при потреблении всего 3,6 мкВт при 100 Гц и доступен в корпусе 3 мм × 3 мм.

Оптический AFE

Размещение пульсоксиметра создает несколько проблем. SpO для ношения на запястье ₂ Устройства создают дополнительные проблемы при проектировании, поскольку представляющий интерес сигнал переменного тока составляет от 1% до 2% от общего количества света, получаемого на частичных разрядах. Чтобы получить медицинский сертификат и различать незначительные отклонения в уровнях оксигемоглобина, требуется более высокий динамический диапазон сигнала переменного тока. Этого можно добиться за счет уменьшения помех от внешнего освещения и уменьшения шума драйвера светодиода и AFE.

Увеличенный динамический диапазон необходим для измерения SpO ₂ в сценариях с низкой перфузией и оптические AFE нового поколения, такие как Analog Devices ADPD4100 (и ADPD4101), достигают отношения сигнал / шум до 100 дБ. Этот интегрированный оптический AFE имеет восемь встроенных источников тока с низким уровнем шума и восемь отдельных входов PD. Цифровой контроллер синхронизации имеет 12 программируемых временных интервалов, которые позволяют пользователю определять массив последовательностей частичных разрядов и светодиодов с определенным током светодиодов, аналоговой и цифровой фильтрацией, вариантами интеграции и временными ограничениями.

Повышенное соотношение сигнал / шум / мкВт - важный параметр для непрерывного мониторинга с питанием от батареи. Этот ключевой показатель был устранен за счет увеличения динамического диапазона AFE при одновременном снижении потребления тока AFE. ADPD4100, например, имеет общую потребляемую мощность всего 30 мкВт для непрерывного измерения PPG 75 дБ, 25 Гц, включая питание светодиодов. Увеличение количества импульсов на выборку (n) приведет к (√n) увеличению отношения сигнал / шум, в то время как увеличение тока возбуждения светодиода приведет к пропорциональному увеличению отношения сигнал / шум. Общее потребление системы 1 мкВт даст сигнал / шум 93 дБ для непрерывного измерения PPG с использованием источника питания 4 В для светодиодов.

Автоматическое подавление окружающего света снижает нагрузку на главный микропроцессор, обеспечивая при этом подавление света 60 дБ. Это достигается за счет использования светодиодных импульсов длительностью до 1 мкс в сочетании с полосовым фильтром для подавления помех. В определенных режимах работы ADPD4100 автоматически рассчитывает темновой ток фотодиода или состояние выключенного светодиода. Этот результат вычитается из состояния включенного светодиода перед преобразованием в АЦП, чтобы удалить окружающий свет, а также ошибки усиления и дрейф внутри фотодиода.

Дизайн еще больше упрощается с помощью инструментов разработки для конкретных приложений. Например, ADPD4100 поддерживается носимым оценочным комплектом EVAL-ADPD4100-4101 и часами исследования показателей жизнедеятельности ADI. Это оборудование легко подключается к приложению ADI Wavetool для измерения биоимпеданса, ЭКГ, частоты пульса PPG и многоволновых измерений PPG для SpO ₂ разработка. В исследовательские часы встроен алгоритм автоматической регулировки усиления (AGC), который регулирует усиление TIA и ток светодиода для обеспечения оптимального динамического диапазона сигнала переменного тока для всех выбранных длин волн светодиодов.

SpO на основе пальца и мочки уха ₂ легче всего рассчитать показания, так как отношение сигнал / шум выше, чем при расположении на запястье или груди, из-за уменьшения костной и тканевой структуры, что также снижает вклад составляющей постоянного тока.

Для таких приложений модуль оптического датчика, такой как ADPD144RI, и фотометрический интерфейс, такой как ADPD1080, позволяют разработчикам быстро избавиться от проблем проектирования, связанных с размещением и разнесением светодиодов и PD, для достижения оптимального отношения мощности к шуму. Это возможно благодаря тому, что оптический датчик имеет встроенный красный светодиод с длиной волны 660 нм, инфракрасный светодиод с длиной волны 880 нм и четыре PD в корпусе размером 2,8 мм × 5 мм. Расстояние между светодиодами и частями разряда оптимизировано для обеспечения наилучшего отношения сигнал / шум для SpO ₂ высокая точность измерения PPG. Устройство также было механически оптимизировано для максимального уменьшения оптических перекрестных помех, даже когда датчик размещен под одним стеклянным окном.

ADPD1080 - это интегрированный оптический AFE с тремя каналами возбуждения светодиодов и двумя каналами ввода тока частичных разрядов в 17-шариковом WLLCSP размером 2,5 мм × 1,4 мм. Этот AFE хорошо подходит для продуктов PPG индивидуальной конструкции с небольшим количеством каналов, где пространство на плате имеет решающее значение.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 3. Блок-схема ADPD410X. (Источник:Analog Devices)

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 4. ADPD4100 одновременное измерение красного (справа) и инфракрасного (слева) PPG. (Источник:Analog Devices)

Ссылки

1. Тошиё Тамура. «Текущий прогресс фотоплетизмографии и SpO2 для мониторинга здоровья». Письма о биомедицинской инженерии , Февраль 2019 г.
2. Джихён Ли, Кента Мацумура, Кен-Ичи Ямакоши, Питер Рольф, Шинобу Танака и Такехиро Ямакоши. «Сравнение красно-зеленой и синей фотоплетизмографии с отражением света для мониторинга сердечного ритма во время движения». 2013 г. 3 5-я Ежегодная международная конференция Общества инженеров в медицине и биологии IEEE (EMBC) , Июль 2013 г.

---

Роберт Финнерти является инженером по системным приложениям в компании Analog Devices, где он работает в группе Digital Healthcare Group, расположенной в Лимерике, Ирландия. Он тесно сотрудничает с Группой мониторинга показателей жизнедеятельности, уделяя особое внимание решениям для оптики и измерения импеданса. Роб присоединился к группе прецизионных преобразователей в ADI в 2012 году и сосредоточился на прецизионных измерениях с низкой полосой пропускания. Он имеет степень бакалавра электроники и электротехники (B.E.E.E) Ирландского национального университета Голуэя (NUIG). С ним можно связаться по адресу [email protected].

---

Связанное содержание:

• Как разработать лучший пульсоксиметр:технические характеристики
• Устройство без манжеты обеспечивает клинически точные измерения артериального давления.
• Использование радара mmWave для мониторинга жизненно важных функций
• Дизайнерский комплект для измерения артериального давления с помощью оптического датчика.
• Специализированные датчики подходят для носимых медицинских устройств.
• Когда точность имеет значение:оценка технологий для носимых устройств с целью социального дистанцирования.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.