Hurtig forhandling af optiske signalveje for bærbare optiske signaler med en multiparametermonitor

Sundheds- og fitnessmonitorer, der kan bæres, bruger forskellige teknikker til at indsamle et bredt spektrum af oplysninger om bevægelse, generel sundhed og søvn. For designerne er problemet at finde ud af, hvordan de kan imødekomme slutbrugernes efterspørgsel efter flere funktioner i disse bærbare monitorer til måling af pulsoximetri (SpO2), fotoplethysmografi (PPG), elektrokardiogram (EKG), blodtryk og åndedrætsfrekvens. Hver ekstra funktion øger kun de udfordringer, som designerne står over for med hensyn til integration, strømstyring, ydeevne, vægt, udviklingstid og omkostninger.

For eksempel kræver SpO₂-løsninger typisk kompliceret elektronik med flere integrerede kredsløb (IC'er), der skaber en optisk vej gennem kroppen ved hjælp af lysdioder (LED'er), fotosensorer, transimpedansforstærkere (TIA'er), analog-til-digital-konvertere (ADC'er) og tilhørende algoritmer. EKG'er kræver et følsomt, støjsvagt analogt kredsløb med en front-end instrumenteringsforstærker og en ADC. Disse diskrete systemer bruger også ekstra hardware til at reducere virkningerne af det omgivende lys og håndtere elektromagnetisk interferens (EMI). Selv om disse løsninger fungerer, kræver de en betydelig plads på printkortet og brugerdefineret firmware, hvilket øger omkostningerne og forlænger udviklingstiden. Der er behov for en mere komplet og integreret løsning, som løser mange af disse designproblemer.

Denne artikel beskriver fysiske enheder, der kan bæres, og en multiparametermonitor, der omfatter LED-drivere, TIA'er, et båndpasfilter, en integrator og en ADC. Artiklen viser, hvordan man kan bruge en multiparametermonitor (Analog Devices' ADPD4101) og tilhørende udviklingskort til at forenkle og fremskynde designprocessen.

Analog front-end oversigt

Overvågning af livstegn rækker ud over de medicinske grænser og ind i hverdagen. Oprindeligt var overvågning af vitale sundhedstegn under streng lægelig overvågning på hospitaler og klinikker. Mikroelektroniske processer og designfremskridt giver omkostningsreduktioner for bærbare monitorer, hvilket gør telemedicin, sport og fitnessovervågning mulig. Med denne udvidelse af bærbare enheder fortsætter at de sundhedsrelaterede kvalitetsstandarder med at opfylde brugernes høje forventninger til kvalitet.

Overvågning af livstegn omfatter måling af en række fysiologiske parametre, der kan indikere en persons helbred. En SpO₂-måling registrerer f.eks. den procentvise iltning af blodet og hjertefrekvensen. De egnede sensorer til SpO₂-bærbare enheder er LED'er og fotodioder.

EKG- og bioimpedansmålinger bestemmer hjertefrekvens, vejrtrækning, blodtryk, hudkonduktans og kropssammensætning. Løsningerne til disse vitale tegn skal være kompakte, energieffektive og pålidelige. Overvågning af disse kritiske tegn kræver optiske, biopotentielle og impedansmålinger.

Optiske signalveje for vitale tegn

SpO₂ måler den procentvise iltmætning i blodet og andre vitale tegn. Ved måling af iltindholdet i blodet anvendes en SpO₂-teknik, som evaluerer LED's lysgennemgang gennem kødet ved forskellige optiske frekvenser. SpO₂-testen kan identificere dårlig iltning, hvilket indikerer begyndende sygdomme eller lidelser, der påvirker åndedrætssystemet. Dataene fra SpO₂-målingen kan også estimere den sande arterielle O₂-mætning og blodets iltkoncentration (S_aO₂).

Når der foretages en SpO₂-måling, kræver det optiske system en værktøjskasse med forskellige lysdioder og fotodetektorer. Den typiske signalkæde til optiske målinger har LED'er, der genererer flere bølgelængder, som gør det muligt at identificere det relative iltniveau i blodet. En række siliciumfotodioder omdanner det modtagne LED-optiske signal til en fotostrøm. Forstærkning og ADC-konvertering af fotodiodens strøm giver den nødvendige opløsning og nøjagtighed (figur 1).

Figur 1: Signalkæden for SpO₂-testen starter med LED-lyssignaler gennem patientens krop. En fotodiode opfanger signalerne gennem kødet og omdanner LED-lyset til et pico-ampere (pA) strømsignal. En TIA konverterer denne strøm til en spænding og sender den til en ADC. (Billedkilde: Analog Devices, ændret af Bonnie Baker)

SpO₂-testen anvender infrarøde (IR) LED'er med en bølgelængde på 940 nanometer (nm) og røde LED'er med en bølgelængde på 660 nm. Med en IR-bølgelængde på 940 nm absorberer iltet hæmoglobin mere af IR-lyset. Deoxygeneret hæmoglobin absorberer mere af det røde lys med en bølgelængde på 660 nm. Fotodioden modtager det ikke-absorberede lys uafhængigt af begge lysdioder. Disse lysdioder udsender dog ikke lys samtidig. Der er en pulssekvens for lysdioderne for at sikre, at overgangsfejl er ubetydelige (figur 2).

Figure 2: The SpO₂-udstyrets timing af 660 nm rød LED (Pulse_RED) og IR LED (Pulse_IR) sikrer, at der ikke sker nogen overstråling af lys fra hvert LED-lyssignal. (Billedkilde: Bonnie Baker)

De opfattede signaler fra lysdioderne skaber AC- og DC-komponenter. AC-komponenten repræsenterer det pulserende karakter af det arterielle blod. DC-komponenten er en konstant, der repræsenterer lysabsorptionen på grund af vævet, veneblodet og det ikke-døende arterielle blod. Denne komponent er den del af arterien, der ikke er tidsvarierende, og som sker i hjertets hvilefase. Ligning 1 viser beregningen af den procentvise SpO₂-værdi:

 Ligning 1

Det diskrete SpO₂-målekredsløb har seks kritiske systemer: LED-driverforstærkere, TIA'er, analogt forstærkningstrin, ADC, digital-til-analog-konverter (DAC) til styring af LED-driverforstærkeren og en analog spændingsreference til ADC og DAC.

LED-driverforstærkerne skal skifte mellem to kanaler for at sikre, at det røde og det infrarøde lys ikke blandes ind i hinanden. TIA'en tager fotodiodestrømmen og konverterer den til en spændingsudgang. En forstærker øger signalets størrelse som forberedelse til ADC-indgangsområdet ved TIA's spændingsudgang. Efter forstærkeren digitaliserer en ADC signalet og sender det til en mikrocontroller eller DSP. Endelig kræver hele signalkæden en analog spændingsreference.

Biopotential- og bioimpedansmålinger

En biopotentiale er et elektrisk signal, der skyldes kroppens elektrokemiske aktivitet. En biopotentialmåling kan f.eks. være et EKG. Et usædvanligt lavt hjerteslagssignal har en amplitude på 0,5 millivolt (mV) til 4 mV og har et frekvensområde fra 0,05 Hertz (Hz) til 40 Hz.

På hospitalet eller på lægens kontor overvåger lægen hjerteaktiviteten ved at sætte elektroder på huden. Våde elektroder sikrer god kontakt med kroppen, typisk sølv/sølvklorid (Ag/AgCl) pads. Personer, der bruger bærbare applikationer, oplever, at disse elektroder er yderst ubehagelige og let kan tørre ud eller irritere huden.

Som et alternativ akkumulerer det bærbare EKG-kredsløb en elektrisk ladning på en kondensator. Med en optimeret tidskonstant, beregnet ud fra det passive RC-netværk (resistor-capacitor), eliminerer opladningsprocessen variationen i kontaktimpedansen mellem hud og elektrode. I figur 3 kobles EKG-signalet til et RC-netværk og TIA1. Dette EKG-kredsløb har en medfødt immunitet over for variationer i kontaktimpedansen mellem hud og elektrode.

Figur 3: EKG+- og EKG- pads er tørre forbindelser til patienten. Disse pads overfører ændringen i hudladningen til RC-netværket. BIO-Z1 og BIO-Z2 er forbundet via en hudmodstand (_RBIO-Z) og bruger TIA2 til at måle ændringen i hudmodstanden parallelt med_RBIO-Z. (Billedkilde Analog Devices, ændret af Bonnie Baker)

Bioimpedans er en anden måling, der giver nyttige fysiske oplysninger. Impedansmålinger giver oplysninger om elektrodermal aktivitet vedrørende kroppens sammensætning og hydreringsniveau. Det andet aftastningskredsløb i figur 3 måler hudmodstanden ved at bruge en pad-modstand, R_BIO-Z, parallelt med hudmodstanden. Denne test kræver ikke et LED-signal. Hudmodstanden er omtrent uendelig, medmindre patienten genererer fugt eller sved under pad'en. Sveddannelse reducerer den parallelle hudmodstand, hvilket øger strømmen til TIA2's inverterende indgang.

Den bærbare fitnessmåler giver en unik kombination af fysiologiske udfordringer. Hvert yderligere krav øger kredsløbets kompleksitet og pc-kortets areal. Efterhånden som antallet af muligheder for sundheds- og fitnessmonitorer vokser, vokser også behovet for en højt integreret, kompleks og kompakt IC.

Den integrerede multimodale sensor

ADPD4100- og ADPD4101-IC'erne er komplette multimodale sensorfrontender, der stimulerer op til otte LED'er og måler retursignalerne med op til otte separate strømindgange. Der er tolv tidsfelter til rådighed, hvilket giver mulighed for tolv uafhængige målinger pr. prøveudtagningsperiode. De analoge indgange kan drives single-ended eller i differentiale par. De otte analoge indgange er multiplexet til en enkelt kanal eller to uafhængige kanaler, hvilket giver mulighed for samtidig prøvetagning af to sensorer. Den eneste forskel mellem disse to produkter er, at ADPD4100 har en SPI-interface og ADPD4101 har en I²C-interface (figur 4).

Figur 4: Det funktionelle blokdiagram for ADPD4100 og ADPD4101 illustrerer LED-drevudgangskanalerne og de analoge indgangskanaler. Indgangskanalerne modtager fotodiode- eller kapacitive strømsignaler til konvertering gennem ADC'en. (Billedkilde: Analog Devices)

I figur 4 har den digitale tidskontrol tolv tidsperioder til rådighed, hvilket giver mulighed for tolv separate målinger pr. prøvetagningsperiode. Sammen med eksterne LED'er og fotodioder hjælper ADPD4100/ADPD4101's fleksible arkitektur designere med at opfylde deres behov for måling af bærbare enheder ved at indsamle biopotentiale- og bioimpedansdata. ADPD4100 har et komplet analogt modul med en digital SPI-interface. ADPD4101's digitale interface er I²C.

ADPD4100/ADPD4101 analoge signalveje består af otte strømindgange, der kan konfigureres som single-ended eller differentielle par til en af to uafhængige kanaler (Figur 5).

Figur 5: Blokdiagrammet for den analoge signalvej har otte analoge indgangsterminaler og to TIA'er. Bandpassfilteret (BPF) går forud for integratoren, som hjælper med at øge ADC'ens opløsning. (Billedkilde: Analog Devices)

I figur 5 er der mulighed for samtidig prøvetagning af to sensorer med de to TIA-kanaler. Hver kanal kan få adgang til en TIA med programmerbar forstærkning (R_F), et båndpasfilter (BPF) med et højpas-hjørne ved 100 kilohertz (kHz), en lavpas-afskæringsfrekvens på 390 kHz og en integrator, der kan integrere ±7,5 picocoulombs (pC) pr. prøve. Hver kanal er tidsmultiplexet til en 14-bit ADC. I figur 5 er R_INT seriemodstanden til integratorens indgang.

ADPD4100/ADPD4101 løser mange af de udfordringer, som designere står over for, når de arbejder med bærbare enheder. Den biomedicinske front-end opfylder alle kravene med sit højtydende, to-kanals sensorindgangstrin, stimulikanaler, digital processormotor og timingkontrol. Denne multimodale sensorfront-end-generation har forbedrede signal/støj-specifikationer på 100 decibel (dB) og reduceret strømforbrug (30 mikrowatt (µW)) for hele systemet.

ADPD4101 evalueringskort

EVAL-ADPD4100Z-PPG-evalueringskortet (Figur 6) er værdifuldt for designere, der overvejer at bruge ADPD4100/ADPD4101 fotometrisk front-end. Kortet implementerer et enkelt diskret optisk design til overvågning af vitale tegn, specielt håndledsbaseret PPG.

Figur 6: EVAL-ADPD4100Z-PPG-kortet hjælper med at evaluere ADPD4100/ADPD4101 til håndledsbaserede PPG-designs. De optiske elementer (til højre) består af tre grønne, en IR- og en rød LED samt en fotodiode. (Billedkilde: Analog Devices)

EVAL-ADPD4100Z-PPG har tre grønne, en IR- og en rød LED, som alle drives separat. Der er også en enkelt indbygget fotodiode, hvilket gør dette evalueringskort klar til øjeblikkelig drift.

Et ADPD4101-referencedesign

Et nyttigt værktøj til tilslutning af sensorer til ADPD4101 er EVAL-CN0503-ARDZ-referencedesignet. Dette referencedesign omhandler ikke specifikt bærbare monitorer, men det er nyttigt at se, hvordan CN0503-brugervejledningen illustrerer, at EVAL-CN0503-ARDZ bruger ADPD4101 til at registrere turbiditet, pH, kemisk sammensætning og andre fysiske egenskaber. EVAL-CN0503-ARDZ-referencedesignet er en rekonfigurerbar, multiparameteroptisk væskeplatform, der kan udføre kolorimetri- og fluorometri-målinger (figur 7).

Figur 7: Forenklet skematisk oversigt over EVAL-CN0503-ARDZ-platformen til optisk væskemåling. (Billedkilde: Analog Devices)

EVAL-CN0503-ARDZ har i kombination med udviklingskortet EVAL-ADICUP3029 fire konfigurerbare optiske baner (Figur 8). De to ydre baner omfatter også vinkelrette fotodioder og filterbeholdere til fluorescens- og spredningsmålinger. Hver vej har en excitations-LED, en kondensorlinse, en strålefordeler, en referencefotodiode og en sendefotodiode.

Figur 8: Fuldt monteret EVAL-CN503-ARDZ på toppen og EVAL-AIDCUP3029 på bunden. (Billedkilde: Analog Devices)

Denne optiske opsætning giver sammen med CN0503-Device Driver og Wavetool Evaluation Software mulighed for en omfattende optisk væskeanalyse.

Konklusion

Designere bliver konstant bedt om at tilføje flere funktioner til bærbare enheder. Dette komplicerer og forsinker designprocessen yderligere, øger komponentomkostningerne og øger strømforbruget. Der er behov for en mere integreret tilgang til sundhedsovervågning.

Som vist skaber kombinationen af LED'er, fotodetektorer, en ADC-signalvej og tolv timede signalveje, som leveres af ADPD4101 fra Analog Devices, et robust sensorsystem med høj præcision til bærbare medicinske og rekreative enheder. Med ADPD4101's flere LED- og analoge kanaler og overlegne timingalgoritmer er enheden en ideel løsning til SpO₂-, hjerte-EKG- og hudmodstandsmålinger, der kan bæres på kroppen.