Schnelles Aushandeln von tragbaren optischen Signalpfaden mit einem Multiparameter-Monitor

Tragbare Gesundheits- und Fitnessmonitore verwenden verschiedene Techniken, um ein breites Spektrum an Bewegungs-, allgemeinen Gesundheits- und Schlafdaten zu erfassen. Für die Entwickler besteht das Problem darin, herauszufinden, wie man die Nachfrage der Endbenutzer nach mehr Funktionalität in diesen tragbaren Monitoren für die Pulsoximetrie (SpO2), Photoplethysmographie (PPG), Elektrokardiogramm (EKG), Blutdruck- und Atemfrequenzmessung erfüllen kann. Jede zusätzliche Funktion vergrößert nur die Herausforderungen in Bezug auf Integration, Energiemanagement, Leistung, Gewicht, Entwicklungszeit und Kosten, denen sich die Entwickler stellen müssen.

Zum Beispiel erfordern SpO₂-Lösungen typischerweise eine komplizierte Elektronik mit mehreren integrierten Schaltkreisen (ICs), die einen optischen Pfad durch den Körper mit Hilfe von Leuchtdioden (LEDs), Fotosensoren, Transimpedanzverstärkern (TIA), Analog/Digital-Wandlern (ADCs) und zugehörigen Algorithmen erstellen. EKGs erfordern eine empfindliche, rauscharme Analogschaltung mit einem Frontend-Instrumentenverstärker und einem ADC. Diese diskreten Systeme verwenden darüber hinaus zusätzliche Hardware, um die Auswirkungen von Umgebungslicht zu reduzieren und elektromagnetische Störungen (EMI) zu bewältigen. Diese Lösungen funktionieren zwar, benötigen aber viel Platz auf der Leiterplatte und kundenspezifische Firmware, was die Kosten erhöht und die Entwicklungszeit verlängert. Was wir brauchen, ist eine umfassendere und integrierte Lösung, die viele dieser Designprobleme behebt.

Dieser Artikel beschreibt tragbare physikalische Einheiten und einen Multiparameter-Monitor mit LED-Treibern, TIAs, einem Bandpassfilter, einem Integrator und einem ADC. Der Artikel zeigt, wie man mit einem Multiparameter-Monitor (ADPD4101 von Analog Devices) und den dazugehörigen Entwicklungsboards den Designprozess vereinfachen und beschleunigen kann.

Überblick zum Analog-Frontend

Die Überwachung der Vitalparameter reicht über die Grenzen der medizinischen Praxis hinaus in den Alltag. Ursprünglich stand die Überwachung der Vitalparameter unter strenger ärztlicher Aufsicht in Krankenhäusern und Kliniken. Mikroelektronische Prozesse und Design-Fortschritte sorgen für Kostensenkungen bei tragbaren Monitoren und machen Telemedizin, Sport- und Fitnessüberwachung möglich. Mit der Ausweitung auf Wearables werden die gesundheitsbezogenen Qualitätsstandards weiterhin den hohen Erwartungen des Anwenders an die Qualität gerecht.

Die Überwachung der Vitalparameter beinhaltet die Messung einer Reihe von physiologischen Parametern, die den Gesundheitszustand einer Person anzeigen können. Eine SpO₂-Messung erfasst z. B. den prozentualen Anteil der Blutsauerstoffversorgung und die Herzfrequenz. Die geeigneten Sensoren für SpO₂-Wearables sind LEDs und Photodioden.

EKG- und Bioimpedanzmessungen bestimmen Herzfrequenz, Atmung, Blutdruck, Hautleitwert und Körperzusammensetzung. Die Lösungen für diese Lebenszeichen müssen kompakt, energieeffizient und zuverlässig sein. Die Überwachung dieser kritischen Zeichen erfordert optische, Biopotential- und Impedanzmessungen.

Optische Vitalzeichensignalwege

SpO₂ misst den Prozentsatz der Sauerstoffsättigung im Blut und andere Vitalparameter. Die Messung der Blutsauerstoffsättigung erfolgt mit einem SpO₂-Verfahren, das die Lichtdurchlässigkeit der LED durch das Fleisch bei verschiedenen optischen Frequenzen auswertet. Der SpO₂-Test kann eine schlechte Oxygenierung erkennen, die auf das Auftreten von Krankheiten oder Störungen des Atmungssystems hinweist. Die Daten der SpO₂-Messung können auch die wahre arterielle O₂-Sättigung und die Sauerstoffkonzentration im Blut (S_aO₂) abschätzen.

Für eine SpO₂-Messung benötigt das optische System einen Werkzeugkasten mit verschiedenen LEDs und Photodetektoren. Die typische Signalkette für optische Messungen beinhaltet LEDs, die mehrere Wellenlängen erzeugen, die insgesamt die Identifizierung des relativen Blutsauerstoffgehalts ermöglichen. Eine Reihe von Silizium-Fotodioden wandelt das empfangene optische Signal der LED in einen Fotostrom um. Die Verstärkung und ADC-Wandlung des Stroms der Fotodiode erzeugt die erforderliche Auflösung und Genauigkeit (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Signalkette für den SpO₂-Test beginnt mit LED-Lichtsignalen durch das Fleisch des Patienten. Eine Fotodiode erfasst die das Fleisch durchdringenden Signale und wandelt das LED-Licht in ein pA-Stromsignal (pA: Pico-Ampere) um. Ein TIA wandelt diesen Strom in eine Spannung um und sendet ihn an einen ADC. (Bildquelle: Analog Devices, modifiziert von Bonnie Baker)

Der SpO₂-Test verwendet LEDs mit einer Wellenlänge von 940 Nanometern (nm) im Infrarotbereich (IR) und 660 nm im roten Wellenbereich. Bei der IR-Wellenlänge von 940 nm absorbiert sauerstoffhaltiges Hämoglobin mehr vom IR-Licht. Desoxygeniertes Hämoglobin absorbiert mehr Licht der roten Wellenlänge 660 nm. Die Fotodiode empfängt das nicht absorbierte Licht unabhängig von den beiden LEDs. Diese LEDs strahlen jedoch nicht gleichzeitig Licht aus. Es gibt eine Impulsfolge für die LEDs, um sicherzustellen, dass Überkreuzungsfehler vernachlässigbar sind (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das Timing des SpO₂-Geräts für die rote 660nm-LED (Pulse_RED) und die IR-LED (Pulse_IR) stellt sicher, dass es zu keinem Überstrahlen der Lichtsignale der einzelnen LEDs kommt. (Bildquelle: Bonnie Baker)

Die wahrgenommenen Signale der LEDs erzeugen AC- und DC-Anteile. Die AC-Komponente repräsentiert die pulsatile Natur des arteriellen Blutes. Die DC-Komponente ist eine Konstante, die die Lichtabsorption durch das Gewebe, das venöse Blut und das nicht pochende arterielle Blut darstellt. Diese Komponente ist der nicht zeitvariable Anteil der Arterie, der während der Ruhephase des Herzens stattfindet. Gleichung 1 zeigt die Berechnung des SpO₂-Prozentsatzes:

 Gleichung 1

Die diskrete SpO₂-Messschaltung besteht aus sechs kritischen Systemen: LED-Treiberverstärker, TIAs, analoge Verstärkungsstufe, ADC, Digital/Analog-Wandler (DAC) zur Steuerung des LED-Treiberverstärkers und eine analoge Spannungsreferenz für den ADC und DAC.

Die LED-Treiberverstärker müssen zwischen zwei Kanälen zyklisch wechseln, um sicherzustellen, dass das rote und das IR-Licht nicht ineinander überlaufen. Der TIA nimmt den Fotodiodenstrom auf und wandelt ihn in eine Ausgangsspannung um. Ein Verstärker erhöht die Signalgröße in Vorbereitung auf den ADC-Eingangsbereich am Spannungsausgang des TIA. Nach dem Verstärker digitalisiert ein ADC das Signal und sendet es an einen Mikrocontroller oder DSP. Schließlich benötigt die gesamte Signalkette eine analoge Spannungsreferenz.

Biopotential- und Bioimpedanzmessungen

Ein Biopotenzial ist ein elektrisches Signal, das durch die elektrochemische Aktivität des Körpers entsteht. Eine Biopotentialmessung kann zum Beispiel ein EKG sein. Eine außergewöhnlich niedrige Herzschlagsignalamplitude beträgt 0,5 Millivolt (mV) bis 4 mV und hat einen Frequenzbereich von 0,05 Hertz (Hz) bis 40 Hz.

Im Krankenhaus oder in der Arztpraxis überwacht der Arzt die Herztätigkeit, indem er Elektroden auf der Haut anbringt. Nasse Elektroden gewährleisten einen guten Körperkontakt, typischerweise Silber/Silberchlorid(Ag/AgCl)-Pads. Personen, die tragbare Anwendungen verwenden, stellen fest, dass diese Elektroden extrem unangenehm sind und leicht austrocknen oder zu Hautreizungen führen können.

Alternativ sammelt die tragbare EKG-Schaltung eine elektrische Ladung auf einem Sensorkondensator. Mit einer optimierten Zeitkonstante, die aus dem passiven Widerstandskondensator(RC)-Netzwerk berechnet wird, eliminiert der Ladevorgang die Variation der Kontaktimpedanz zwischen Haut und Elektrode. In Abbildung 3 koppelt das EKG-Signal in ein RC-Netzwerk und TIA1 ein. Dieser EKG-Schaltkreis hat eine interne Immunität gegenüber Schwankungen der Kontaktimpedanz zwischen Haut und Elektrode.

Abbildung 3: Die Pads EKG+ und EKG- sind trockene Verbindungen zum Patienten. Diese Pads übertragen die Änderung der Hautladung an das RC-Netzwerk. BIO-Z1 und BIO-Z2 sind über einen Hautwiderstand (R_BIO-Z) verbunden und messen über TIA2 die Änderung des Hautwiderstands parallel zu R_BIO-Z. (Bildquelle: Analog Devices, modifiziert von Bonnie Baker)

Die Bioimpedanz ist eine weitere Messung, die nützliche physikalische Informationen liefert. Impedanzmessungen liefern Informationen über die elektrodermale Aktivität, über die Zusammensetzung des Körpers und den Hydratationsgrad. Der zweite Messkreis in Abbildung 3 misst den Hautwiderstand, indem er einen Pad-Widerstand, R_BIO-Z, parallel zum Hautwiderstand verwendet. Für diesen Test ist kein LED-Signal erforderlich. Der Hautwiderstand ist annähernd unendlich, es sei denn, der Patient erzeugt Feuchtigkeit oder Schweiß unter dem Pad. Durch die Bildung von Körperschweiß wird der parallele Hautwiderstand verringert, wodurch sich der in den invertierenden Eingang des TIA2 fließende Strom erhöht.

Der tragbare Gesundheits-Fitnessmonitor stellt eine einzigartige Kombination von physiologischen Erfassungsherausforderungen dar. Jede zusätzliche Anforderung erhöht die Komplexität der Schaltung und den Platzbedarf auf der Leiterplatte. Mit der wachsenden Anzahl von Gesundheits- und Fitnessmonitoren steigt auch der Bedarf an einem hochintegrierten, komplexen und kompakten IC.

Der integrierte multimodale Sensor

Die ICs ADPD4100 und ADPD4101 sind komplette multimodale Sensor-Frontends, die bis zu acht LEDs anregen und die Rücksignale mit bis zu acht separaten Stromeingängen messen. Es stehen zwölf Zeitschlitze zur Verfügung, die zwölf separate Messungen pro Abtastzeitraum ermöglichen. Die analogen Eingänge können referenzbezogen oder als Differenzpaare betrieben werden. Die acht analogen Eingänge werden in einen einzigen Kanal oder zwei unabhängige Kanäle gemultiplext, was die gleichzeitige Abtastung von zwei Sensoren ermöglicht. Der einzige Unterschied zwischen diesen beiden Produkten ist, dass der ADPD4100 über eine SPI-Schnittstelle und der ADPD4101 über eine I²C-Schnittstelle verfügt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das funktionale Blockdiagramm des ADPD4100 und ADPD4101 veranschaulicht die LED-Ausgangstreiberkanäle und die analogen Eingangskanäle. Die Eingangskanäle empfangen Fotodioden- oder kapazitive Stromsignale zur Umwandlung durch den ADC. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 4 hat die Zeitsteuerung der digitalen Verarbeitung zwölf Zeitschlitze zur Verfügung, was zwölf separate Messungen pro Abtastperiode ermöglicht. Zusammen mit externen LEDs und Fotodioden hilft die flexible Architektur des ADPD4100/ADPD4101 Entwicklern, ihre Anforderungen an tragbare Messgeräte zu erfüllen, indem sie Biopotential- und Bioimpedanzdaten erfassen. Der ADPD4100 verfügt über ein komplettes Analogmodul mit einer digitalen SPI-Schnittstelle. Die digitale Schnittstelle des ADPD4101 ist I²C.

Die analogen Signalpfade des ADPD4100/ADPD4101 bestehen aus acht Stromeingängen, die als referenzbezogene oder Differenzpaare in einen von zwei unabhängigen Kanälen konfigurierbar sind (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Blockschaltbild des analogen Signalpfads hat acht analoge Eingangsklemmen und zwei TIAs. Der Bandpassfilter (BPF) ist dem Integrator vorgeschaltet, der zur Erhöhung der Auflösung des ADCs beiträgt. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 5 ist die Möglichkeit der gleichzeitigen Abtastung von zwei Sensoren mit den beiden TIA-Kanälen gegeben. Jeder Kanal kann auf einen TIA mit programmierbarer Verstärkung (R_F), einen Bandpassfilter (BPF) mit einer Hochpass-Eckfrequenz bei 100 Kilohertz (kHz), einer Tiefpass-Grenzfrequenz von 390 kHz und einen Integrator zugreifen, der ±7,5 Picocoulomb (pC) pro Abtastung integrieren kann. Jeder Kanal wird zeitlich in einen 14-Bit-ADC gemultiplext. In Abbildung 5 ist R_INT der Vorwiderstand zum Eingang des Integrators.

Der ADPD4100/ADPD4101 löst viele Herausforderungen, mit denen Entwickler bei der Arbeit an tragbaren Geräten konfrontiert sind. Das biomedizinische Frontend erfüllt alle Anforderungen mit seiner leistungsstarken, zweikanaligen Sensoreingangsstufe, den Stimuluskanälen, der digitalen Verarbeitungs-Engine und der Zeitsteuerung. Diese multimodale Sensor-Frontend-Generation hat verbesserte Signal-Rausch-Spezifikationen von 100 Dezibel (dB) und eine reduzierte Leistungsaufnahme (30 Mikrowatt (µW)) für das gesamte System.

Evaluierungsboard ADPD4101

Das Evaluierungsboard EVAL-ADPD4100Z-PPG (Abbildung 6) ist für Entwickler, die das photometrische Frontend ADPD4100/ADPD4101 in Betracht ziehen, von großem Nutzen. Das Board implementiert ein einfaches diskretes optisches Design für Anwendungen zur Überwachung von Vitaldaten, speziell für die PPG am Handgelenk.

Abbildung 6: Das Board EVAL-ADPD4100Z-PPG hilft bei der Evaluierung des ADPD4100/ADPD4101 für handgelenkbasierte PPG-Designs. Die optischen Elemente (rechts) bestehen aus drei grünen, einer IR- und einer roten LED sowie einer Fotodiode. (Bildquelle: Analog Devices)

Das EVAL-ADPD4100Z-PPG hat drei grüne, eine IR- und eine rote LED, die alle separat angesteuert werden. Außerdem ist eine einzelne Fotodiode auf dem Board integriert, so dass dieses Evaluierungsboard sofort betriebsbereit ist.

Referenzdesign für ADPD4101

Ein nützliches Werkzeug zum Anschluss von Sensoren an den ADPD4101 ist das Referenzdesign EVAL-CN0503-ARDZ. Dieses Referenzdesign bezieht sich nicht speziell auf tragbare Monitore, ist aber nützlich, um zu sehen, wie das CN0503-Benutzerhandbuch veranschaulicht, dass das EVAL-CN0503-ARDZ den ADPD4101 zur Erkennung von Trübung, pH-Wert, chemischer Zusammensetzung und anderen physikalischen Eigenschaften verwendet. Das Referenzdesign EVAL-CN0503-ARDZ ist eine rekonfigurierbare, multiparametrische optische Flüssigkeitsplattform, die kolorimetrische und fluorometrische Messungen durchführen kann (Abbildung 7).

Abbildung 7: Vereinfachtes Schaltbild der optischen Flüssigkeitsmessplattform EVAL-CN0503-ARDZ. (Bildquelle: Analog Devices)

Das EVAL-CN0503-ARDZ verfügt in Kombination mit dem Entwicklungsboard EVAL-ADICUP3029 über vier konfigurierbare optische Pfade (Abbildung 8). Die beiden äußeren Pfade enthalten zudem senkrechte Photodioden und Filteraufnehmer für Fluoreszenz- und Streuungsmessungen. Jeder Pfad hat eine Anregungs-LED, eine Kondensorlinse, einen Strahlteiler, eine Referenz-Fotodiode und eine Sende-Photodiode.

Abbildung 8: Vollständig montiertes EVAL-CN503-ARDZ auf der Oberseite und EVAL-AIDCUP3029 auf der Unterseite. (Bildquelle: Analog Devices)

Dieser optische Aufbau bietet in Verbindung mit dem CN0503-Gerätetreiber und der Wavetool-Auswertesoftware einen Weg zur umfassenden optischen Flüssigkeitsanalyse.

Fazit

Entwickler werden ständig aufgefordert, Wearable-Monitore mit mehr Funktionalität auszustatten. Dies verkompliziert und verlangsamt den Designprozess zusätzlich, erhöht die Kosten für die Komponenten und den Stromverbrauch. Ein stärker integrierter Ansatz ist daher erforderlich.

Wie gezeigt, schafft die Kombination aus LEDs, Photodetektoren, einem ADC-Signalpfad und zwölf zeitgesteuerten Signalpfaden, die der ADPD4101 von Analog Devices bereitstellt, ein hochpräzises, robustes Erfassungssystem für tragbare medizinische Geräte und Freizeitgeräte. Mit den mehreren LED- und Analogkanälen des ADPD4101 und den überlegenen Timing-Algorithmen bietet das Gerät eine ideale Lösung für tragbare SpO₂-, Herz-EKG- und Hautwiderstandsmessungen.