Проектирование передовых пульсоксиметров: практические рекомендации по реализации

Введение

Создание медицинских устройств, сочетающих удобство для пользователя и энергоэффективность, сегодня критически важно. В этой статье подробно рассматриваются ключевые этапы и соображения при разработке пульсоксиметра нового поколения.

Предыдущая статья описывала спецификации пульсоксиметров; здесь мы углубляемся в ключевые проектные решения: выбор между проходной и отражательной конфигурациями, оптимальное размещение сенсора, оптимизация перфузионного индекса, снижение артефактов движения и нюансы интеграции оптического аналогового входного тракта (AFE).

Проходная vs отражательная конфигурация

Фотоплеттизмографический (ФПГ) сигнал можно регистрировать как в проходной, так и в отражательной схеме расположения светодиода и фотодиода. В проходной схеме непоглощенный свет проходит через часть тела, что идеально подходит для участков с высокой плотностью капилляров — пальца или мочки уха. Этот вариант даёт прирост перфузионного индекса (PI) на 40–60 дБ и обеспечивает более стабильные, воспроизводимые измерения, менее чувствительные к небольшим смещениям сенсора.

Отражательные конфигурации предпочтительны, когда фотодиод и светодиод должны размещаться рядом, например, в носимых устройствах на запястье или груди. При тщательном управлении оптическим путем и фильтрацией такая схема также обеспечивает точные данные.

Рисунок 1. Конфигурация светодиод–фотодиод. (Источник: Analog Devices)

Размещение сенсора и перфузионный индекс

При размещении сенсора на запястье или груди аналоговый входной тракт ФПГ должен обеспечивать большой динамический диапазон, так как постоянная составляющая сигнала усиливается более глубокими артериями, подкожной тканью, кожей и костью. Более высокий PI — обычно 1–2% для запястных SpO₂-устройств — требует либо механической оптимизации, либо расширения диапазона AFE для уменьшения неопределенности алгоритмов.

Расстояние между светодиодом и фотодиодом критически влияет на PI. Слишком малый зазор увеличивает перекрёстные помехи и обратное рассеяние, добавляя нежелательную постоянную составляющую и потенциально насыщая AFE. Большее разделение снижает эти эффекты, но уменьшает коэффициент передачи тока (CTR), что может снизить эффективность сигнала и потребовать более высоких токов управления светодиодами.

Быстрая импульсная подача на светодиоды — по одному или группами — снижает 1/f шум и позволяет синхронную демодуляцию на приёмнике, эффективно подавляя помехи окружающего света. Интеграция нескольких импульсов повышает амплитуду сигнала фотодиода при сохранении низкого среднего потребления тока. Увеличение площади фотодиода также улучшает CTR за счет захвата большего количества отражённого света.

ФПГ для измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС) часто использует один большой фотодиод и несколько низковольтных зелёных светодиодов. Зелёные светодиоды обеспечивают лучшее подавление артефактов движения, но требуют большего прямого напряжения и большей управляющей мощности, чем красные или ИК. Большинство систем SpO₂, нуждающихся в нескольких длинах волн, поэтому применяют массив зелёных, красных и ИК-светодиодов, окружённый несколькими фотодиодами. Часы ADI VSM (рисунок 2) иллюстрируют этот подход с оптимизированным расстоянием светодиод–фотодиод и баффлом, уменьшающим обратное рассеяние и перекрёстные помехи.

Рисунок 2. Часы ADI VSM V4, баффл и массив светодиод–фотодиод. (Источник: Analog Devices)

Несколько прототипов часов ADI VSM оценивались для определения наиболее эффективного расстояния светодиод–фотодиод для совместного измерения ЧСС и SpO₂.

Артефакты движения

Движение — одна из самых сложных проблем в ФПГ-измерениях. Оно меняет диаметр сосудов и давление, изменяя количество света, поглощаемого фотодиодом. В идеальном сценарии — бесконечно широкий фотодиод, покрывающий бесконечную глубину ткани — артефакты движения отсутствовали бы. На практике увеличение площади фотодиода и тщательная фильтрация уменьшают влияние артефактов, но AFE должен также сохранять низкую ёмкость для сохранения полосы пропускания.

Типичные частоты ФПГ лежат в диапазоне 0,5–5 Гц, тогда как артефакты движения охватывают 0,01–10 Гц. Обычная полосовая фильтрация не может разделить эти перекрывающиеся компоненты; вместо этого требуются адаптивные фильтры, использующие высокоточные данные о движении. Акселерометр ADXL362 от Analog Devices с разрешением 1 мг в диапазоне 8 г и потреблением всего 3,6 мкВт при 100 Гц в корпусе 3×3 мм предоставляет необходимые метрики движения.

Оптический AFE

Запястные SpO₂-устройства сталкиваются с уникальной проблемой: переменная составляющая интересующего сигнала составляет всего 1–2% от общего света, попадающего на фотодиод. Достижение медицинской точности в таких условиях требует AFE с высоким динамическим диапазоном, минимизирующего проникновение окружающего света и снижающего шумы драйвера светодиодов и AFE.

Новейшие оптические AFE, такие как ADPD4100 (и ADPD4101) от Analog Devices, обеспечивают до 100 дБ отношения сигнал/шум. Этот интегрированный входной тракт содержит восемь низкошумных источников тока и восемь отдельных входов фотодиода. Его цифровой контроллер синхронизации предлагает 12 программируемых слотов, позволяя разработчикам настраивать токи светодиодов, аналоговую и цифровую фильтрацию, время интеграции и другие параметры.

Оптимизация отношения SNR к микроватту (мкВт) критична для батарейного непрерывного мониторинга. ADPD4100 достигает 75 дБ SNR при 25 Гц, потребляя всего 30 мкВт — включая питание светодиодов — во время непрерывного измерения ФПГ. Увеличение числа импульсов на отсчёт повышает SNR пропорционально √n, а повышение тока светодиодов масштабирует SNR линейно. Общее системное потребление 1 мкВт может обеспечить 93 дБ SNR при питании светодиодов от 4 В.

Автоматическое подавление окружающего света упрощает задачи хост-микроконтроллера, обеспечивая 60 дБ изоляции от света за счёт 1 мкс импульсов светодиодов и полосового фильтра. ADPD4100 также может вычислять тёмный ток фотодиода (состояние «светодиод выключен») и вычитать его из измерения в состоянии «включён», устраняя влияние окружающего света, ошибки усиления и дрейф.

Разработка упрощается инструментами вроде набора для оценки EVAL-ADPD4100-4101 и часов для мониторинга жизненно важных показателей ADI. Эти платформы бесшовно интегрируются с приложением ADI WaveTool, позволяя измерения биоимпеданса, ЭКГ, ФПГ ЧСС и многоволнового SpO₂. Встроенный алгоритм автоматического регулирования усиления (AGC) динамически настраивает усиление ТОУ (трансимпдансного усилителя) и ток светодиодов для поддержания оптимального динамического диапазона переменной составляющей по всем длинам волн.

Измерения SpO₂ на пальце или мочке уха 본래 проще в проектировании, так как более высокий SNR за счёт меньшей толщины кости и тканей уменьшает постоянную составляющую и повышает точность.

Для таких приложений сенсорные модули вроде ADPD144RI и входные тракты вроде ADPD1080 позволяют быстро создавать прототипы. ADPD144RI в корпусе 2,8×5 мм содержит красный светодиод 660 нм, ИК-светодиод 880 нм и четыре фотодиода с оптимизированным расстоянием для максимального SNR. ADPD1080 — интегрированный AFE с тремя драйверами светодиодов и двумя входами фотодиода в корпусе WLLCSP 2,5×1,4 мм, идеальный для компактных низоканальных решений.

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

Рисунок 4. Одновременное измерение красного (справа) и ИК (слева) ФПГ с ADPD4100. (Источник: Analog Devices)

Ссылки

1. Toshiyo Tamura. «Current Progress of Photoplethysmography and SpO₂ for Health Monitoring.» Biomedical Engineering Letters, февраль 2019.
2. Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken‑Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka, 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), июль 2013.

---

Роберт Финнерти — системный инженер-прикладник в Analog Devices, работает в группе Digital Healthcare в Лаймерике, Ирландия. Тёсно сотрудничает с группой мониторинга жизненно важных показателей, фокусируясь на оптических и импедансных измерениях. Роб присоединился к группе точных преобразователей ADI в 2012 году и специализируется на высокоточных низкочастотных измерениях. Имеет степень бакалавра электроники и электротехники (B.E.E.E) Национального университета Ирландии в Голуэй (NUIG). Контакт: rob.finnerty@analog.com.

---

Связанные материалы

• Как спроектировать лучший пульсоксиметр: спецификации
• Бескаркасное устройство обеспечивает клинически точные измерения артериального давления
• Использование мм-диапазона радара для мониторинга жизненных показателей
• Набор для проектирования измерения давления с оптическим сенсором
• Специализированные сенсоры для медицинских носимых устройств
• Когда точность важна: оценка технологий для носимого устройства социального дистанцирования

Для получения дополнительных материалов по встраиваемым системам подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded.