Förmedla snabbt bärbara optiska signalvägar med en mätare för flera parametrar

Bärbara hälso- och fitnessmätare använder olika tekniker för att samla in en stor mängd information om rörelse, allmän hälsa och sömn. Problemet för konstruktörer är att ta reda på hur slutanvändarnas behov av mer funktioner som t.ex. pulsoximetri (SpO2), fotopletysmografi (PPG), elektrokardiogram (EKG), blodtryck och mätning av andningsfrekvens kan tillgodoses i dessa mätare. Varje extra funktion bidrar till utmaningar inom integration, energihantering, prestanda, vikt, utvecklingstid och kostnadsbesparingar för konstruktörer.

Lösningar för SpO₂ kräver vanligtvis komplicerad elektronik med flera integrerade kretsar som skapar en optisk väg genom kroppen med hjälp av lysdioder, fotosensorer, transimpedansförstärkare (TIA), analog- till digitalomvandlare (ADC) och tillhörande algoritmer . EKG kräver en känslig analog krets med låg brusnivå, med en instrumentationsförstärkare i frontänden och en ADC. Dessa diskreta system använder även ytterligare hårdvara för att minska effekterna av omgivningsljus och för att hantera elektromagnetiska störningar (EMI). Även om lösningarna fungerar så kräver de betydande plats på kretskortet och en anpassad firmware, vilket ökar kostnaden och förlänger utvecklingstiden. Det som krävs är en mer komplett och integrerad lösning som löser många av dessa konstruktionsproblem.

Artikeln beskriver bärbara fysiska enheter och en mätare för flera parametrar som består av LED-drivkretsar, TIA, ett bandpassfilter, en integrator och en ADC. Artikeln visar hur man använder en mätare med flera parametrar i form av (ADPD4101 från Analog Devices) och tillhörande utvecklingskort för att förenkla och skynda på konstruktionsprocessen.

Översikt av en analog frontände

Mätning av vitalparametrar sträcker sig bortom medicinens gränser och in i våra vardagliga liv. Ursprungligen utfördes mätning av vitalparametrar under strikt medicinsk övervakning på sjukhus och kliniker. Mikroelektroniska processer och konstruktionsframsteg har gett kostnadsbesparingar för bärbara mätare, vilket gör mätning för telemedicin, sport och fitness möjlig. Med denna utökning till bärbara enheter fortsätter hälsorelaterade kvalitetsstandarder att tillfredsställa användarnas höga förväntningar.

Mätning av vitalparametrar innebär att man mäter en serie fysiologiska parametrar som kan visa en individs hälsa. En mätning av exempelvis SpO₂ känner av procentandelen syresättning i blodet samt hjärtfrekvensen. Lämpliga sensorer för bärbara SpO₂-apparater är lysdioder och fotodioder.

Mätningar av EKG och bioimpedans konstaterar hjärtfrekvens, andning, blodtryck, hudkonduktans och kroppssammansättning. Lösningarna för mätning av dessa vitalparametrar måste vara kompakta, energisnåla och tillförlitliga. Mätning av dessa viktiga värden kräver optiska mätningar, mätning av biopotential och impedansmätningar.

Optiska signalvägar för vitalparametrar

SpO₂ mäter procentandelen syresättning i blodet och andra vitalparametrar. Mätningen av syresättning i blodet använder en SpO₂-teknik som utvärderar lysdioders ljusöverföring genom kroppen vid olika optiska frekvenser. SpO₂-testet kan identifiera dålig syresättning, vilket påvisar uppkomst av sjukdomar eller störningar i andningsorganen. Uppgifterna från SpO₂-mätningen kan även uppskatta den sanna arteriella O₂-mättnaden och syrekoncentrationen i blodet (S_a O₂ ).

När du gör en SpO₂-mätning behöver det optiska systemet en verktygslåda med olika lysdioder och fotodetektorer. Den typiska signalkedjan för optiska mätningar har lysdioder som genererar flera våglängder och möjliggör total identifiering av den relativa syrgasnivån i blodet. En serie fotodioder av kisel omvandlar den mottagna optiska lysdiodsignalen till en fotoström. Förstärkningen och ADC-omvandlingen av fotodiodens ström ger den upplösning och noggrannhet som behövs (figur 1).

Figur 1: Signalkedjan för SpO₂-testet börjar med LED-ljussignaler genom patientens kropp. En fotodiod fångar signalen genom kroppen och omvandlar LED-ljuset till en strömsignal på picoampere (pA). En TIA omvandlar strömmen till en spänning och skickar den till en ADC. (Bildkälla: Analog Devices, ändrad av Bonnie Baker)

SpO₂-testet använder lysdioder med infrarött ljus (IR) med våglängden 940 nanometer (nm) och rött ljus med våglängden 660 nm. Med IR-våglängden 940 nm absorberar syresatt hemoglobin mer av IR-ljuset. Syrefattigt hemoglobin absorberar mer av det röda ljuset med våglängden 660 nm. Fotodioden tar emot det ljus som inte absorberades oberoende av de båda lysdioderna. Lysdioderna skickar dock inte ljus samtidigt. Det finns en pulssekvens för lysdioderna för att säkerställa att överlappningsfelen är försumbara (figur 2).

Figur 2: SpO₂-utrustningens timing för den röda lysdioden på 660 nm (puls_RÖD) och IR-lysdioden (puls_IR) garanterar att inget ljus läcker över mellan lysdioderna. (Bildkälla: Bonnie Baker)

De uppfattade signalerna från lysdioderna skapar AC- och DC-komponenter. AC-komponenten representerar den pulserande naturen hos arteriellt blod. DC-komponenten är en konstant som representerar ljusabsorptionen på grund av vävnad, venöst blod och arteriellt blod utan pulsslag. Komponenten är den del av artärens inte varierar över tid, utan inträffar under hjärtats vilofas. Ekvation 1 visar beräkningen av procentandelen för SpO₂:

Ekvation 1

De diskreta kretsarna för mätning av SpO₂ innehåller sex viktiga system: LED-drivkretsar, flera TIA, ett analogt förstärkningssteg, ADC, digital- till analogomvandlare (DAC) för att styra LED-drivkretsarnas förstärkare och en analog spänningsreferens för ADC och DAC.

LED-drivkretsarnas förstärkare måste växla mellan två kanaler för att garantera att det röda ljuset och IR-ljuset inte läcker in i varandra. TIA:n tar fotodiodens ström och omvandlar den till en spänningsutgång. En förstärkare ökar signalstorleken som förberedelse för ADC-ingångens område vid TIA:ns spänningsutgång. Efter förstärkaren digitaliseras signalen av en ADC som skickar den till en mikrokontroller eller DSP. Till sist, kräver hela signalkedjan en analog spänningsreferens.

Mätningar av biopotential och bioimpedans

En biopotential är en elektrisk signal som uppstår till följd av kroppens elektrokemiska aktivitet. Ett exempel på en mätning av biopotential kan exempelvis vara ett EKG. En exceptionellt låg amplitud för ett hjärtslag är 0,5 till 4 mV och har ett frekvensområde från 0,05 upp till 40 Hz.

På sjukhuset eller läkarmottagningen övervakar läkaren hjärtats aktivitet genom att fästa elektroder på huden. Våta elektroder garanterar en god kontakt med huden, och består vanligtvis av plattor som innehåller silver/silverklorid (Ag/AgCl). Individer som använder bärbara apparater tycker att dessa elektroder är extremt obekväma och kan lätt torka ut eller börja irritera huden.

Som ett alternativ ackumulerar den bärbara EKG-kretsen en elektrisk laddning över en avkänningskondensator. Med en optimerad tidskonstant, beräknad från det passiva nätet med resistor och kondensator (RC), eliminerar laddningsprocessen variationen i impedansen för kontakten mellan hud och elektrod. I figur 3 kopplas EKG-signalen till ett RC-nätverk och TIA1. EKG-kretsen har en inbyggd immunitet mot variationer i kontaktimpedansen för hud mot elektrodkontakt.

Figur 3: Plattorna ECG+ och ECG- är torra anslutningar på patienten. Plattorna överför förändringen i hudens laddning till RC-nätverket. BIO-Z1 och BIO-Z2 är anslutningar genom en resistor som är klistrad mot huden (R_BIO-Z ), och använder TIA2 för att mäta förändringen i hudens resistans parallellt med R_BIO-Z . (Bildkälla Analog Devices, ändrad av Bonnie Baker)

Bioimpedans är en annan mätning som ger användbar fysisk information. Impedansmätningar ger information om elektrodermal aktivitet kring kroppens sammansättning och vätskenivå. Den andra avkänningskretsen i figur 3 mäter hudens resistans med hjälp av en resistor i plattan, R_BIO-Z, som är kopplat parallellt med hudens resistans. Testet kräver ingen LED-signal. Hudens resistans är ungefär oändlig såvida patienten inte utsöndrar fukt eller svett under plattan. Svettutsöndringen minskar den parallella resistansen i huden, vilket ökar den ström som leds in i den inverterade ingången på TIA2.

Den bärbara hälsomätaren utgör en unik kombination av utmaningar inom fysiologisk avkänning. Varje extra krav ökar kretsens komplexitet och kretskortets storlek. När mängden hälso- och fitnessmätare ökar, växer även behovet av en högintegrerad, komplicerad och kompakt integrerad krets.

Den integrerade multimodala sensorn

De integrerade kretsarna ADPD4100 och ADPD4101 är kompletta multimodala sensorer för frontänden som driver upp till åtta lysdioder och mäter retursignalerna med upp till åtta separata strömingångar. Tolv tidsluckor är tillgängliga, vilket möjliggör tolv oberoende mätningar per samplingperiod. De analoga ingångarna kan drivas som enstaka ingångar eller som differentiella par. De åtta analoga ingångarna multiplexeras till en enda kanal eller två oberoende kanaler, vilket möjliggör samtidig sampling av två sensorer. Den enda skillnaden mellan de två produkterna är att ADPD4100 har ett SPI-gränssnitt och ADPD4101 har ett I²C-gränssnitt (figur 4).

Figur 4: Blockdiagrammet över funktionen hos ADPD4100 och ADPD4101 visar LED-drivenhetens utgångskanaler och analoga ingångskanaler. Ingångskanalerna tar emot fotodiodsignaler eller kapacitiva strömsignaler för omvandling via ADC. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 4 har den digitala tidsstyrningen av bearbetningen tolv tidsluckor tillgängliga, vilket möjliggör tolv separata mätningar per samplingperiod. Tillsammans med externa lysdioder och fotodioder gör den flexibla arkitekturen i ADPD4100/ADPD4101 det lättare för konstruktörer att uppfylla de bärbara mätbehoven genom att registrera information om biopotential och bioimpedans. ADPD4100 har en komplett analog modul med ett digitalt SPI-gränssnitt. ADPD4101 använder det digitala gränssnittet I²C.

De analoga signalvägarna i ADPD4100/ADPD4101 består av åtta strömingångar som kan konfigureras som enstaka ingångar eller som differentiella par i en av två oberoende kanaler (figur 5).

Figur 5: Blockdiagrammet för den analoga signalvägen har åtta analoga ingångar och två TIA. Bandpassfiltret (BPF) kommer före integratorn som förbättrar ADC:ns upplösning. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 5 finns alternativet att sampla två sensorer samtidigt med de två TIA-kanalerna. Varje kanal har tillgång till en TIA med programmerbar förstärkning (R_F), ett bandpassfilter (BPF) med ett högpasshörn vid 100 kilohertz (kHz), en gränsfrekvens för lågpassfiltret på 390 kHz och en integrator som kan integrera ± 7,5 picocoulombs (pC) per sampling. Varje kanal är tidsmultiplexerad till en 14-bitars ADC. I figur 5, är R_INT seriemotståndet för ingången till integratorn.

ADPD4100/ADPD4101 löser många utmaningar som konstruktörer stöter på när de arbetar med bärbara enheter. Den biomedicinska frontänden uppfyller alla krav med sin höga prestanda, ingångssteg med två kanaler, stimulanskanaler, digital bearbetningsmotor och tidsstyrning. Denna generation av multimodala sensorer har förbättrade specifikationer för signal-till-brusförhållande på 100 decibel (dB) och en lägre energiförbrukning (30 mikrowatt (µW)) för hela systemet.

Utvärderingskortet ADPD4101

Utvärderingskortet EVAL-ADPD4100Z-PPG (figur 6) är värdefullt för konstruktörer som överväger den fotometriska frontänden ADPD4100/ADPD4101. Kortet implementerar en enkel diskret optisk konstruktion för mätning av vitalparametrar, särskilt vid handledsbaserad fotopletysmografi.

Figur 6: Kortet EVAL-ADPD4100Z-PPG gör det lättare att utvärdera ADPD4100/ADPD4101 för konstruktioner med handledsbaserad fotopletysmografi. De optiska elementen (till höger) består av tre gröna lysdioder, en IR-lysdiod och en röd lysdiod, samt en fotodiod. (Bildkälla: Analog Devices)

EVAL-ADPD4100Z-PPG har tre gröna lysdioder, en IR-lysdiod och en röd lysdiod, som alla drivs separat. Det finns även en enda inbyggd fotodiod, vilket gör utvärderingskortet klart för omedelbar användning.

En referenskonstruktion med ADPD4101

Ett användbart verktyg för att ansluta sensorer till ADPD4101 är referenskonstruktionen EVAL-CN0503-ARDZ. Referenskonstruktionen kommunicerar inte specifikt med bärbara mätare men är bra för att se hur bruksanvisningen CN0503 illustrerar att EVAL-CN0503-ARDZ använder ADPD4101 för att detektera grumlighet, pH, kemisk sammansättning och andra fysiska egenskaper. Referenskonstruktionen EVAL-CN0503-ARDZ är en optisk vätskeplattform med flera parametrar som kan konfigureras om och utför mätningar av kolorimetri och fluorometri (figur 7).

Figur 7: Förenklat schema över den optiska mätplattformen EVAL-CN0503-ARDZ för vätskor. (Bildkälla: Analog Devices)

EVAL-CN0503-ARDZ har i kombination med utvecklingskortet EVAL-ADICUP3029 fyra konfigurerbara optiska banor (figur 8). De två yttre banorna inkluderar även vinkelräta fotodioder och filterhållare för fluorescens- och spridningsmätningar. Varje bana har en lysdiod för stimulering, en kondensorlins, en strålningsdelare, en fotodiod som referens och en sändande fotodiod.

Figur 8: Färdigmonterad EVAL-CN503-ARDZ överst och en EVAL-AIDCUP3029 nederst. (Bildkälla: Analog Devices)

Denna optiska konfiguration, i kombination med enhetsdrivkretsen CN0503 ochutvärderingsprogrammet Wavetool, ger en väg till en omfattande optisk vätskeanalys.

Slutsats

Konstruktörer uppmanas ständigt att lägga till mer funktioner i bärbara mätare. Detta gör konstruktionsprocessen mer komplicerad och långsammare, vilket ökar komponentkostnaden och strömförbrukningen. Det krävs ett mer integrerat tillvägagångssätt för hälsoövervakning.

Som visat skapar kombinationen av lysdioder, fotodetektorer, en ADC-signalväg och tolv tidsstyrda signalvägar som tillhandahålls av ADPD4101 från Analog Devices, ett robust avkänningssystem med hög noggrannhet för bärbara medicinska apparater och fritidsapparater. Med de många lysdioderna, analoga kanalerna och överlägsna tidsalgoritmerna i ADPD4101 är enheten en perfekt för bärbara mätningar av SpO₂, EKG och förändringar i hudens resistans.