Bygg en trådlös, smart in-ear-hörlur – del 1: mätning av hjärtpuls och syremättnad (SpO2)

Redaktörens anmärkning: Trådlösa smarta hörlurar för sport och motion har stor potential men innebär vissa designutmaningar inom framför allt tre områden: biometrisk mätning, ljudbehandling och trådlös laddning. I den här artikelserien (om tre artiklar) undersöker vi de olika utmaningarna och visar hur utvecklarna kan dra fördel av enheter med ultralåg effektförbrukning, för att skapa trådlösa motionshörlurar på ett effektivt sätt. Den första artikeln i serien handlar om biometri.

Trådlösa, smarta in-ear-hörlurar, som kan ha många andra benämningar, har blivit verkligt populära ljuduppspelningsenheter, i synnerhet under sport- och motionsaktiviteter, då kablarna hos konventionella hörlurar kan vara i vägen. Genom att lägga till funktioner för mätning av hjärtpuls och syremättnad kan utvecklarna skapa motionshörlurar som levererar både ljudfunktioner och hälsodata.

Det finns stora möjligheter för biometrisk teknik i sådan utrustning, som dock – på grund av storleks- och strömförsörjningsbegränsningarna – medför väsentliga designutmaningar.

I den här artikeln diskuterar vi hälsomätningar och visar hur man använder Maxim Integrateds biosensor för att mäta hjärtpuls och syremättnad via en batteridriven in-ear-hörlur.

Hälsomätningar

Hjärtpulsmätning har, bortsett från dess kliniska roll vid utvärdering av patientens allmänna hälsotillstånd, blivit ett viktigt verktyg för både motionärer och professionella idrottare. Hjärtpulsvariationer kan tyda på underliggande fysiologiska hälsotillstånd, och icke-invasiva mätningar av sådana variationer kan enkelt utföras med hjälp av fotopletysmografi (PPG). PPG mäter förändringar i överfört eller reflekterat ljus av en viss frekvens, vanligtvis ca 520 nm (nanometer) (dvs. grönt ljus). Sådana förändringar orsakas av förändringar i vävnadsblodvolymen när hjärtat pumpar blod genom vävnaden.

Denna relativt enkla teknik kan, utöver att ge grundläggande data om hjärtfrekvensen, även avslöja kliniskt oroande tillstånd, såsom ventrikelprematurslag (även kallat ”VES”, ventrikulärt extraslag med flera benämningar), på ett enklare sätt än med blodtrycksmätningar eller elektrokardiogram (EKG) (figur 1).

Figur 1: Med hjälp av enkel optisk teknik kan PPG användas för att upptäcka ovanliga hjärthändelser såsom ventrikelprematurslag (PVC), utan blodtrycksmätning (BP) eller elektrokardiogram (EKG). (Bildkälla: Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0)

Hjärtpulsmätning med PPG ger viktig information, men många användare vill ha djupare insikter om sin kondition och träningspassens effekt. Pulsoximetri levererar sådana kunskaper genom att mäta förhållandet mellan syresatt hemoglobin (HbO₂) och deoxygenerat hemoglobin (Hb). Hemoglobin är en proteinmolekyl i de röda blodkropparna som transporterar syre till kroppens organ och vävnader. Baserat på det nämnda förhållandet ger pulsoximetern en mätning av den ”perifera kapillära syremättnaden” (SpO₂), vilket är en tillförlitlig icke-invasiv bedömning av klinisk, arteriell blodgasanalys (SaO₂).

För att utföra bedömningen mäter pulsoximetern skillnaden i ljusabsorption hos huden, vid två olika ljusfrekvenser, vanligtvis ca 660 nm (rött) och 880 nm (infrarött). De två frekvenserna motsvarar toppar i absorptionsspektrat för hemoglobin i dess deoxygenerade respektive syresatta tillstånd. Detta gör det möjligt att göra en snabb uppskattning av blodets syremättnad (figur 2).

Figur 2: Vid icke-invasiva metoder för pulsoximetri används förhållandet mellan syresatt hemoglobin (HbO2, röd kurva) och deoxygenerat hemoglobin (Hb, blå kurva), vanligen uppmätt vid ca 880 nm respektive 660 nm, för att bestämma den kapillära syremättnaden (SpO₂). (Bildkälla: Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0)

PPG och pulsoximetri är teoretiskt enkla metoder. Men att implementera metoderna praktiskt kan innebära betydande utmaningar, i synnerhet i trådlösa bärbara enheter. Vid både PPG och pulsoximetri används en fotodiod för att mäta ljuset från de gröna, röda och infraröda lysdioderna, reflekterat mot huden vid sportarmband eller smarta klockor (eller ljusöverföringen genom t.ex. en örsnibb).

Externa ljuskällor eller störningar i den optiska väg som innefattar LED-ljuskälla, hud och fotodiod kan försämra biomätningens noggrannhet i systemet. Exempelvis kan normala variationer i omgivningsljuset generera extra ljuskällor. Mätfel kan uppstå vid extrema förändringar hos omgivningsljuset, exempelvis när användaren förflyttar sig i ett område med omväxlande starkt solsken och mörka skuggor, vilket vi här kallar för ”picket-fence-effekten”. Plötsliga armrörelser vid intensiv träning eller enklare motionsövningar kan störa fitnessarmbandet eller -klockan och generera externa ljuskällor eller signalförluster.

Avkänningssystem av in-ear-typ

Till skillnad från handledsburna hälsomätare, kan bioavkänning i in-ear-hörlurar minimera störningarna från vissa felkällor och ge exakta resultat även vid den typ av handledsrörelser som försämrar mätnoggrannheten hos fitnessband och smarta klockor¹. Ett antal biometriska mätenheter har dykt upp på marknaden, men på grund av strömförsörjnings- och storlekskraven har utvecklarna endast ett fåtal alternativ för att implementera fitnessteknik i in-ear-hörlurar.

För att sitta säkert i örat måste enheterna vara små och lätta. Sådana grundkrav förhindrar användning av batterier med stor kapacitet som krävs för mer konventionella biometriska lösningar. Det innebär att bärbar in-ear-teknik för motionsbruk måste drivas med mer begränsade energikällor än dem som används för produkter som bärs på handleden.

Samtidigt måste det finns tillgänglig effekt för att stödja de olika funktionskraven i tillämpningen, exempelvis sådan bärbar in-ear-teknik som den här artikelserien handlar om. För att utföra de optiska mätningar som är fokus i den här artikeln måste det – om tillämpningen ska vara ändamålsenlig – finnas tillräckligt mycket kraft för att driva lysdioderna (grönt, infrarött och rött), fotodioden och den tillhörande analoga front-end-enheten (AFE). De olika optiska och elektroniska komponenterna måste få plats i ett mycket litet hölje som inte stör eller bryter den optiska signalvägen.

En strömsnål biosensor från Maxim Integrated uppfyller ovanstående krav.

Specialiserad biosensor

Maxim Integrateds MAXM86161, utformad specifikt för hälsoteknik av in-ear-typ, ger ett komplett, optiskt datainhämtningssystem som klarar kontinuerlig mätning av hjärtpuls och SpO₂ (syremättnad) med minimal effektförbrukning. I den kompakta 14-stiftsenheten med måtten 2,9 x 4,3 x 1,4 mm integreras ett optiskt 3-delat LED-överföringssystem, ett fotodiodmottagarsystem med signalbehandling, en 128-ords FIFO-buffert (first-in first-out) och ett seriellt I²C-gränssnitt (Inter-Integrated) (figur 3).

Figur 3: I Maxim Integrateds MAXM86161 integreras optiska överförings- och mottagarsystem med en 128-ords FIFO-buffert, styrenhet och ett seriellt I²C-gränssnitt, vilket ger en komplett biometrilösning. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Utöver de inbyggda lysdioderna för grönt, infrarött och rött, innehåller det optiska överföringssystemet dedikerade 8-bitars D/A-omvandlare (digital-till-analog-omvandlare), som gör det möjligt för utvecklaren att programmera varje LED-diods drivström till 31 mA, 62 mA, 94 mA eller 124 mA, hämtat från en V_LED-strömförsörjning på 3,0–5,5 V. Utvecklaren kan också programmera LED-drivkretsens pulsbredd till fyra olika varaktigheter, från ca 15 μs till 117 μs. Som beskrivs nedan, är det här en viktig funktion för att uppfylla specifika prestandakrav i tillämpningarna.

En 19-bitars sigma-delta-AD-omvandlare i mottagarsystemet digitaliserar den integrerade fotodiodens utmatning vid frekvenser från 8 samplingar/sekund (sps) till 4 096 sps. Ett digitalt filter ger brusreducering med hjälp av frekvensmultiplexing (FDM) eller koefficientdecimering (CDM), beroende på vad utvecklaren väljer.

I tillämpningar där det krävs sampling vid olika upplösningar, kan AD-omvandlaren konfigureras dynamiskt, för att arbeta vid någon av fyra fullskaliga dynamikområden. Genom att minska dynamikområdet kan utvecklaren öka upplösningen vid behov. En extra funktion ger ett offset-värde som möjliggör mätning av mycket låga mörkströmmar, utan att signalen klipps.

Automatisk korrigering

Under samplingskonverteringen kan MAXM86161-enhetens ALC-krets (ambient light correction, kompensation för omgivningsljus) användas för att automatiskt eliminera fotodiodström från ovidkommande, externa ljuskällor. Utvecklaren kan också programmera enheten för regelbunden mätning av omgivningsljuset, vilket gör det möjligt att använda anpassade ALC-algoritmer för dynamisk korrigering av samplade data, eller för att programmera LED-drivströmmen för optimerade utgående LED-ljusnivåer beroende på förändringar av omgivningsljuset.

Utöver den inbyggda ALC-funktionen innehåller MAXM86161 en separat mekanism för hantering av den s.k. picket-fence-effekten, dvs. det fenomen som innebär att snabba övergångar mellan ljust och mörkt omgivningsljus kan orsaka samplingsfel. När MAXM86161-enhetens picket-fence-funktion är aktiv, upptäcker den automatiskt om samplingar utförs under pågående picket-fence-perioder. I så fall ersätts sådana samplingar med beräknade värden. När funktionen är aktiv jämför MAXM86161 lågpassfiltrets utmatning med ett beräknat intervall och ersätter värdet om det är utanför området (figur 4).

Figur 4: Picket-fence-mekanismen i Maxim Integrateds MAXM86161 övervakar samplingarna (röd linje). Samplingar som faller utanför det programmerade området (dvs. utanför de blåa linjerna) ersätts automatiskt. Den svarta linjen är ett exempel på en sådan felaktig sampling. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Autonom sampling

Den integrerade styrenheten i MAXM86161 samordnar transmitter- och mottagarsystemen under samplandet, för att synkronisera en sekvens av utgående LED-pulser och motsvarande ingående fotodiod-avläsningar. Programmet för sekvensen anges av utvecklaren, via utställningar som läses in i sex ”fack” (LEDCn) i en uppsättning om tre LED-sekvensstyrregister (tabell 1). Varje LEDCn-fack motsvarar en viss samplingsoperation bestående av ljus från en angiven grön, infraröd eller röd LED, följt av en associerad fotodiodsampling.

Tabell 1: LED-utgångens sekvenspulser läses in i en uppsättning om tre LED-sekvensstyrregister. (Tabellkälla: Maxim Integrated)

MAXM86161 känner igen olika fördefinierade värden som motsvarar olika LED-driftlägen. Exempel: För att ange sampling från LED1 (grönt), LED2 (infrarött) eller LED3 (rött), ställer utvecklaren in LEDCn[3:0]-fältet för önskat ”fack” till något av de binära värdena 0001, 0010 eller 0011. För att sampla omgivningsljudet sätter utvecklaren det önskade fältet till binärvärdet 1001. För att programmera en sekvens som ska sampla LED1, LED2, LED3 och omgivningen skriver utvecklaren in följande:

LEDC1[3:0] = 0001

LEDC2[3:0] = 0010

LEDC3[3:0] = 0011

LEDC4[3:0] = 1001

LEDC5[3:0] = 0000

Det sista facket, med binärvärde 0000, markerar slutet av sekvensen.

Utvecklaren måste dessutom ange andra konfigurationsparametrar, för exempelvis samplingsfrekvens, pulsbredd, drivström osv. I praktikten sätter man sådana konfigurationsparametrar, liksom LED-sekvensregistren 0x21 och 0x22 (se tabellen), före register 0x20, eftersom skrivning till register 0x20 startar MAXM86161-enhetens mätsekvens. Så som beskrivs längre fram i artikeln, kan en programvarurutin användas för att inledningsvis konfigurera dessa register och sedan skriva till register 0x20, så att den programmerade sekvensen startar.

Efter initiering av sekvensen samordnar styrenheten LED-utgångspulserna och fotodiodingångssamplingen, och upprepar den programmerade sekvensen med önskad samplingsfrekvens (figur 5).

Figur 5: MAXM86161-enhetens styrenhet exekverar sekvenser av samplingsoperationer automatiskt, och varje sekvens inbegriper samordning av en LED-utgångspuls och associerat fotodiodsamplingsresultat. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Med programmerbar sekvensstyrning av det här slaget kan man snabbt och enkelt modifiera mätlägena. Om det exempelvis inte krävs så hög uppdateringsfrekvens för tillämpningens SpO₂-mätningar räcker det med en enkel ändring i sekvensstyrregistren för att bibehålla uppdateringsfrekvensen för hjärtpulsmätning med den gröna lysdioden (LED1). Tillämpningen kan återställa sekvensen regelbundet, för att lägga till den infraröda (LED2) och röda (LED3) lysdioden, så att SpO₂-mätningarna utförs under en kort tidsperiod innan enheten återgår till att endast uppdatera hjärtpulsmätningarna.

Effektoptimering

Utöver den här metoden för att minska effektförbrukningen på tillämpningsnivå, kan utvecklaren dra fördel av MAXM86161-enhetens inbyggda lågeffektsegenskaper. I en typisk tillämpning med en samplingsfrekvens på 25 sps förbrukar MAXM86161 mindre än 10 μA vid normal drift. Därutöver erbjuder MAXM86161 ett antal mekanismer för att optimera effektförbrukningen på både systemnivå och enhetsnivå.

För optimering på systemnivå kan enheten utföra biometriska mätningar under perioder då övriga delar av systemet, inklusive processorn, är i ett lågförbrukande viloläge. Där kan MAXM86161-enhetens sekvensstyrenhet fortsätta att placera samplingsdata i nästa tillgängliga fack i den interna FIFO-bufferten. När bufferten når sin gränskapacitet (angiven av utvecklaren), kan MAXM86161 skicka ett avbrottskommando till värdprocessorn. Som svar på avbrottskommandot vaknar värdprocessorn precis så lång tid som krävs för att tömma FIFO-bufferten genom I²C-gränssnittet eller så lång tid som behövs för ytterligare bearbetning.

Oavsett om MAXM86161-enheten används på detta ganska autonoma sätt eller om den står under värdprocessorns direkta kontroll, kan enheten programmeras att använda andra optimeringsmekanismer på enhetsnivå.

Ett exempel är en mekanism gör det möjligt för utvecklaren att minska strömförbrukningen till den lägsta nivå som krävs för att uppfylla kraven på mätnoggrannhet i tillämpningen. Här kan utvecklaren justera den programmerbara LED-utgångens pulsbredd, som tidigare nämnts, för att leverera den signalintegritet som krävs för varierande mätförhållanden. Om det krävs högre signal-brusförhållande (SNR) kan utvecklaren öka pulsbredden så mycket som behövs (figur 6).

Figur 6: Utvecklaren kan ställa LED-utgångens pulsbredd till fyra olika varaktigheter, för att minska strömmen till den lägsta möjliga nivå som krävs för tillämpningens signal-brusförhållande. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Andra mekanismer gör det möjligt att minska effektförbrukningen under perioder när sampling inte behövs eller när endast låg uppdateringsfrekvens krävs.

Om det inte behövs några biometriska mätningar under en period kan MAXM86161 placeras i ett inaktivt läge där endast 1,6 μA förbrukas. Det går också att programmera in avstängning av enhetens interna LDO-regulator (low dropout), för att minska avstängningsströmmen till endast 0,05 μA. Att starta om en LDO har dock vissa nackdelar, exempelvis fördröjd starttid eller ökad inrusningsström. Båda dessa nackdelar kan vara problematiska i vissa batteridrivna konstruktioner.

MAXM86161 har också en mekanism för automatisk övergång till ett 1,6 μA avstängningsläge mellan samplingarna, när samplingsfrekvensen är högst 256 sps, vilket ger väsentligt lägre strömförbrukning utan funktionsförlust.

Den här sortens automatiska minskning av effektförbrukningen på enhetsnivå kombineras med MAXM86161-enhetens närhetsavkänning, för att spara ström när in-ear-enheten inte längre är i kontakt med huden. I stället för att enheten ska förbruka ström när användaren (till exempel) tar ut enheten ur örat, kan utvecklaren programmera ett antal MAXM86161-register för att sätta enheten i ett lågeffektsläge och ett tillhörande närhetsavkänningsläge.

I närhetsavkänningsläget övervakar enheten fotodiodutsignaler som indikerar att reflekterande föremål (exempelvis hud) finns i närheten. För att minska förbrukningen i den situationen, minskas drivströmmen till den LED som används som ljuskälla, och samtidigt minskas samplingsfrekvensen till 8 sps, vilket får avstängningsläget att aktiveras mellan samplingarna. När fotodiodutgången passerar det (av programmeraren) angivna gränsvärdet kan MAXM86161 automatiskt växla tillbaka till helt aktivt läge och sampla utan värdprocessorns medverkan och utan att ge kommando för väckning av processorn.

Utvecklingsstöd

De många inbyggda funktionerna i MAXM86161 resulterar i endast ett fåtal krav beträffande maskinvarugränssnittet. För att lägga till MAXM86161-enhetens biometrifunktioner i en mikroprocessor- eller microcontrollerbaserad konstruktion (figur 7) krävs endast några få externa tilläggskomponenter.

Figur 7: Eftersom Maxim Integrateds MAXM86161 innehåller allt som behövs för optisk biometrisk avkänning, behövs endast ett fåtal externa tilläggskomponenter för att fullborda konstruktionen. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Med hjälp av utvärderingskortet MAXM86161EVSYS kan utvecklaren snabbt skapa en prototyp av MAXM86161 i ett befintligt system, eller använda den associerade MAXM86161EVSYS-referensdesignen som grund för att implementera anpassad maskinvara.

Den största utmaningen vid utveckling med MAXM86161 är möjligtvis att bestämma en optimal konfiguration för en viss tillämpning. Som har beskrivits i artikeln, är MAXM86161 utrustad med en bred uppsättning av konfigurerbara inställningar och prestandaegenskaper.

För att hjälpa utvecklarna att snabbare komma fram till en lämplig konfiguration erbjuder Maxim Integrated en utvärderingsapplikation för MAXM86161. Applikationen har ett grafiskt användargränssnitt (GUI) där utvecklaren kan undersöka effekterna av olika enhetsinställningar. Applikationen, avsedd att användas med utvärderingskortet MAXM86161EVSYS, gör det enkelt att modifiera olika driftparametrar och utvärdera resulterande samplingsprestanda och effektförbrukning hos MAXM86161 (figur 8).

Figur 8: Utvärderingsprogramvaran för MAX86161, avsedd att kombineras med utvärderingskortet MAXM86161EVSYS, gör det möjligt att undersöka olika enhetskonfigurationer genom att ändra enhetsinställningarna i en uppsättning menyer. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Oberoende av om utvecklingsplattformen används för att bestämma lämpliga konfigurationsinställningar för MAXM86161, kommer utvecklaren att upptäcka att programmering av MAXM86161 till stor del handlar om att skriva rutiner för att läsa in inställningarna till MAXM86161 vid initiering eller körning.

Maxim Integrated gav artikelförfattaren en enkel MAXM86161-drivkrets för att undersöka de enklare designmönster som krävs för att driva enheten. Drivkretsen blir snart tillgänglig.

Drivmodulen är skriven i C och innehåller ett antal samplingsrutiner som motsvarar de olika registeruppdateringar som krävs för att köra MAXM86161-funktionerna, exempelvis SpO₂-mätning (program 1).

Copy
/* Write LED and SPO2 settings */
if (data->agc_is_enable)
   err |= max86161_prox_led_init(data);
else
   err |= max86161_hrm_led_init(data);
 
err |= max86161_write_reg(data, MAX86161_INTERRUPT_ENABLE, DATA_RDY_MASK);
 
err |= max86161_write_reg(data, MAX86161_LED_RANGE_1,
      ( MAX86161_LED_RGE << LED_RGE2_OFFSET )
      | ( MAX86161_LED_RGE << LED_RGE3_OFFSET ));
 
err |= max86161_write_reg(data, MAX86161_PPG_CONFIGURATION_1,
      ( MAX86161_PPG_TINT << PPG_TINT_OFFSET )
      | ( MAX86161_ADC_RGE << PPG_ADC_RGE_OFFSET ));
 
err |= max86161_write_reg(data, MAX86161_PPG_CONFIGURATION_3,
      ( MAX86161_LED_SETLNG << LED_SETLNG_OFFSET ));
 
err |= max86161_write_reg(data, MAX86161_PD_BIAS,
      ( PD_BIAS_125_CS << PD_BIAS_OFFSET ));
 
err |= max86161_write_reg(data, MAX86161_FIFO_CONFIG_2, 
      FLUSH_FIFO_MASK | FIFO_STAT_CLR_MASK);
 
err |= max86161_write_reg(data, MAX86161_LED_SEQ_REG_1, 
      ( LED_RED << LEDC2_OFFSET ) 
      | ( LED_IR << LEDC1_OFFSET ));
 
if (!atomic_read(&data->irq_enable)) {
   enable_irq(data->irq);
   atomic_set(&data->irq_enable, 1);
}

Program 1: Det här kodavsnittet från MAXM86161-enhetens drivprogramvara visar den grundläggande metoden för att styra enheten genom att skriva konfigurationsdata till olika enhetsregister. (Kodkälla: Maxim Integrated)

För SpO₂-mätning följs, som har nämnts tidigare, ett mönster som är gemensamt för MAXM86161-funktionerna och som handlar om att skriva inställningar till enhetsregistren i syfte att konfigurera parametrar för exempelvis LED-ström, samplingsfrekvens, val av digitalt filter, dynamiskt omfång för analog-till-digitalomvandlaren osv.

När rätt MAXM86161-register har uppdaterats för de olika inställningarna definieras mätsekvensen, som sedan initieras direkt, genom att sätta LEDC2- och LEDC3-fälten i register 0x20 (MAX86161_LED_SEQ_REG_1) till binärvärde 0010 (LED_IR) respektive binärvärde 0011 (LED_RED), enligt program 1.

Sammanfattning

Bärbar in-ear-teknik kan erbjuda hög noggrannhet för biometriska funktioner, men har strikta designkrav beträffande storlek och effektförbrukning. I den här artikeln beskrevs biometrienheten MAXM86161 från Maxim Integrated, som ger ett komplett optiskt datainhämtningssystem för övervakning av hjärtpuls och SpO₂. Systemet klarar storleks- och effektförbrukningskraven för bärbar in-ear-teknik.

Referenser

1. Bunn, J., Wells, E., Manor, J., & Webster, M. (2019). Evaluation of Earbud and Wristwatch Heart Rate Monitors during Aerobic and Resistance Training. International Journal of Exercise Science, 12(4), 374–384.