Réduire le niveau de bruit et de distorsion LED pour une oxymétrie de pouls précise

L'oxymétrie de pouls est une méthode non invasive pour mesurer la saturation d'oxygène dans le sang et le pouls pour les patients hospitalisés, les visites chez le médecin généraliste, les soins néonatals et le suivi de santé à domicile. Pour toutes ces applications, la précision est essentielle, mais parfois difficile à atteindre, en partie à cause du niveau excessif de bruit et de distorsion dans le signal LED.

Les LED infrarouge et rouge utilisées pour l'oxymétrie de pouls brillent généralement à travers une partie translucide du corps, généralement le doigt du sujet, ou dans le cas de nourrissons, souvent les pieds. La lumière est transmise à travers une photodiode qui capture l'intensité de la lumière émergente et d'autres caractéristiques.

Figure 1 : Le patient place un doigt à l'intérieur de cet oxymètre de pouls portable pour obtenir une indication claire du taux d'oxygène et la fréquence cardiaque. (Source de l'image : Zacurate)

La saturation d'oxygène dans le sang est calculée en utilisant le rapport hémoglobine oxygénée (HbO₂)/hémoglobine réduite (Hb). Pour mesurer la fréquence cardiaque, le système recueille plusieurs échantillons de la forme d'onde du sang pulsatile. Pour mesurer ces deux paramètres avec précision, le signal LED doit présenter un faible niveau de bruit et de distorsion.

Cet article traite des blocs électroniques d'un oxymètre de pouls typique puis présente des solutions de commande LED appropriées et leur application pour la conception d'un circuit d'attaque LED à faible niveau de bruit et de distorsion.

Composants électroniques d'un oxymètre de pouls

Les principaux blocs électroniques d'un oxymètre de pouls sont le circuit de transmission LED et le système de photodétection. La configuration électronique d'un oxymètre de pouls typique présente deux LED fixées sur la partie supérieure du gant et des photodétecteurs sur la partie inférieure (Figure 2).

Figure 2 : Dans un oxymètre de pouls, les mesures précises exigent des signaux à faible bruit et faible distorsion de l'électronique de commande rouge (HbO₂) et infrarouge (Hb). (Source de l'image : Bonnie Baker)

Dans la Figure 2, les éléments dans les deux circuits d'attaque LED sont un convertisseur numérique-analogique (CNA) à faible bruit avec un circuit d'attaque d'amplificateur LED qui le suit. Les LED rouge et infrarouge (IR) envoient de façon alternée des signaux d'un niveau de courant élevé vers un niveau de courant faible, ce qui crée deux signaux de largeur d'impulsion qui traversent le doigt. La synchronisation des signaux de commande de ces deux LED est décalée de manière à ce que le photodétecteur de réception puisse distinguer un signal de l'autre. La durée pendant laquelle ces impulsions de courant sont actives et élevées est généralement de l'ordre de quelques centaines de microsecondes.

Les longueurs d'ondes de crête pour les LED rouge et IR sont respectivement de 660 nm (HbO₂) et de 940 nm (Hb). Des longueurs d'onde différentes sont utilisées, car les hémoglobines HbO₂ et Hb présentent des réponses spectrales différentes. Le calcul d'un rapport de ces deux valeurs permet d'obtenir une estimation du pourcentage de la quantité d'oxygène dans le sang (SpO₂).

Les éléments du circuit d'adaptation d'impédance ou de photodiodes I-V sont un amplificateur opérationnel, un filtre coupe-bande à bande étroite analogique et un amplificateur à gain. L'amplificateur à gain est suivi d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) qui fournit une sortie numérique à la puce DSP.

Circuit d'attaque LED

Le trajet du signal du circuit d'oxymètre de pouls commence avec le circuit d'attaque LED. La chaîne de circuit d'attaque LED à alimentation simple présente une référence de tension (U1), un CNA (U3), un tampon de sortie CNA (U4) et une source de courant de transistor (Q1) (Figure 3).

Figure 3 : Circuit d'attaque LED simplifié pour un système d'oxymètre de pouls avec un récepteur à photodiode (à droite). (Source de l'image : Bonnie Baker, utilisation de matériel Analog Devices modifié)

La référence de tension (U1) est utilisée pour le CNA 16 bits et définit la valeur de tension de sortie analogique, selon l'Équation 1.

Où D = registre du CNA, le mot de données décimales et N = nombre de bits du CNA.

Par exemple, si U1 est la référence de tension 2,5 V ADR4525BRZ-R7 d'Analog Devices et U3 est le CNA 16 bits série AD5542AACPZ-REEL7 d'Analog Devices, l'Équation 1 devient :

La tension moyenne de CNA résultante est de 1,25 V, et la taille de bit le moins significatif (LSB) est V_REF/(2^N) = 2,5/65 536 = 38,1 microvolts (µV).

L'ADR4525 est conçu pour être une référence haute précision, à faible bruit (1,25 millivolt (mV) p-p, 0,1 Hz à 10 Hz) et à température stable. Le faible coefficient de température de tension de sortie (2 ppm/°C maximum) et la faible dérive de tension de sortie à long terme (25 ppm sur 1000 heures à 60°C) permettent de veiller à la précision du système au fil du temps et des variations de température. L'erreur initiale de température ambiante de l'ADR4525B est de ±0,02 % maximum.

Analyse du bruit d'un circuit d'attaque LED

Lors de l'analyse du bruit d'un circuit d'attaque LED, le CNA 16 bits guide la sélection des dispositifs environnants. En d'autres termes, si la résolution du CNA est de 12 bits, la taille LSB est de 601,35 mV, ce qui assouplit les exigences de bruit des références de tension et des amplificateurs opérationnels.

Cependant, dans le circuit d'attaque LED, le bruit proche de CC et la non-linéarité ont une incidence sur les niveaux de luminosité LED. Les sources de génération de bruit proche de CC sont les suivantes :

• La non-linéarité intégrale et différentielle du CNA
• Le bruit en 1/f de la référence de tension et le bruit en 1/f de l'amplificateur
• La distorsion de mode commun de l'amplificateur

Ces sources de bruit méritent d'être étudiées de plus près.

Non-linéarité intégrale et différentielle du CNA : la non-linéarité différentielle (DNL) est la différence entre la taille de palier réelle et la valeur idéale de 1 LSB. Une erreur DNL inférieure à –1 LSB peut entraîner des codes manquants. Le CNA 16 bits AD5542A présente une erreur différentielle de l'ordre d'environ ±0,4 LSB (Figure 4).

Figure 4 : La non-linéarité différentielle du CNA 16 bits AD5542A par rapport au code montre une erreur différentielle de l'ordre d'environ ±0,4 LSB. (Source de l'image : Analog Devices)

L'erreur de non-linéarité intégrale (INL) est la déviation maximale d'une tension de sortie par rapport à la tension de sortie correspondante de la courbe de transfert idéale, avec les erreurs mesurées de gain et de décalage à zéro. L'AD5542A présente une erreur INL d'environ -0,6 LSB à 0,25 LSB (Figure 5).

Figure 5 : Un graphique de la non-linéarité intégrale de l'AD5542A par rapport au code montre que l'erreur de non-linéarité intégrale est d'environ -0,6 à +0,25 LSB. (Source de l'image : Analog Devices)

À partir des graphiques de non-linéarité de la Figure 4 et de la Figure 5, le bruit analogique maximum peut être le tiers du pire cas de non-linéarité, ou 0,6 LSB ce qui équivaut à :

Bruit en 1/f de la référence de tension et de l'amplificateur : la plage de fréquences du bruit en 1/f est égale à 0,1 Hz à 10 Hz. La référence de tension (U1) et le tampon de référence (U2) sont directement alimentés dans le CNA (U3). Il convient d'utiliser un calcul RSS (racine carrée de la somme des carrés) lors de la combinaison de la contribution de bruit en 1/f d'U1 et d'U2 (Équation 3).

Si U1 est la référence de tension 2,5 V série ADR4525, le bruit en 1/f est de 1,25 mV_P-P. En outre, U2 et U4 correspondent chacune à la moitié des amplificateurs opérationnels à distorsion de raccordement d'entrée nulle, 10 MHz, 14,5 nV/√Hz, E/S rail-à-rail ADA4500-2 d'Analog Devices. Pour l'ADA4500-2, le bruit en 1/f est de 2 mV_P-P.

En utilisant l'Équation 3, le bruit en 1/f total entrant dans la broche REFF du CNA est :

Le bruit pour la référence de tension (U1) et l'amplificateur séparateur (U2) est visiblement inférieur à la valeur LSB du CNA.

Distorsion de mode commun de l'amplificateur : l'excursion d'entrée et de sortie de l'amplificateur opérationnel séparateur CNA U4 se déplace de rail à rail. Un amplificateur d'entrée rail-à-rail typique effectue une excursion d'entrée rail-à-rail à l'aide de deux paires différentielles. Au niveau de la plage de mode commun inférieure, la paire différentielle inférieure est active, et à l'extrémité supérieure, c'est l'autre paire qui est active. Chaque paire différentielle a sa propre tension de décalage. Ces deux paires différentielles complémentaires typiques génèrent une distorsion de raccordement (Figure 6). De la même façon, la modification de la tension de décalage de l'amplificateur provoque une non-linéarité en tant que tampon CNA (Figure 7).

Figure 6 : Avec deux paires d'entrées différentielles, la tension de décalage crée une distorsion sur la plage de tensions d'entrée de mode commun. (Source de l'image : Bonnie Baker)

Figure 7 : Non-linéarité d'un CNA avec un tampon de sortie d'amplificateur qui présente deux structures d'entrée différentielle. (Source de l'image : Analog Devices)

La Figure 7 montre la non-linéarité de l'amplificateur opérationnel. Lorsque la tension de mode commun augmente, la paire différentielle active passe de la paire de type P à la paire de type N, ce qui provoque une distorsion de raccordement. La distorsion de raccordement provoque une variation d'erreur de +4 LSB à −15 LSB.

Toutefois, l'ADA4500-2 n'est pas un amplificateur typique du fait qu'il n'utilise qu'une seule paire d'entrées différentielles pour effectuer l'excursion d'entrée rail-à-rail, d'où l'absence de distorsion de raccordement. Pour ce faire, il utilise une pompe à charge à tension positive dans la structure d'entrée pour réaliser l'excursion d'entrée rail-à-rail.

L'avantage supplémentaire dans ce cas est que l'amplificateur séparateur CNA (U4) peut être formé en utilisant la deuxième moitié de l'amplificateur opérationnel double ADA4500-2. Comme mentionné précédemment, la première moitié est utilisée pour U2, l'amplificateur séparateur de la référence de tension.

L'impédance de sortie du CNA (U3) est constante (généralement de 6,25 kΩ) et ne dépend pas du code. Le tampon de sortie (U4) nécessite un faible courant de polarisation d'entrée et une haute impédance d'entrée pour minimiser les erreurs. Grâce à ces exigences, l'ADA5400-2 constitue une solution appropriée, car il a un courant de polarisation d'entrée de 2 picoampères (pA) à température ambiante, une impédance d'entrée élevée et un courant de polarisation d'entrée maximum de 190 pA sur une plage de températures de -40°C à +125°C.

Mesures du bruit

Le bruit cible pour ce système de commande LED complet est inférieur à 15 mV_P-P. Les contributions de bruit des composants sélectionnés, selon les spécifications des fiches techniques, sont les suivantes :

• U3 : CNA AD5542A :
  • CNA 16 bits
  • 0,134 μV_P-P
• U1 : référence de tension ADR4525 :
  • Référence de sortie de 2,5 V
  • 1,25 μV_P-P
• U2 : amplificateur ADA4500-2 (tampon de référence) :
  • Distorsion de raccordement de mode commun nulle
  • 2 μV_P-P
• U4 : amplificateur ADA4500-2 (tampon CNA) : 2 μV_P-P
  • Distorsion de raccordement de mode commun nulle
  • 2 μV_P-P

Le bruit RSS sur la fiche technique des composants U1 – U4 est de 3,1 mV_P-P.

La mesure du bruit réel de ce circuit est effectuée à l'aide d'une boîte de mesure de bruit avec un gain de 10 000 V/V combiné à un filtre de 0,1 Hz à 10 Hz (Figure 8).

Figure 8 : Configuration de test pour mesurer le bruit de 0,1 Hz à 10 Hz avec un gain de 10 000. (Source de l'image : Analog Devices)

Le kit d'évaluation EVAL-CN0370-PMDZ d'Analog Devices génère des données de mesure pour le circuit (illustrées initialement dans la Figure 3). L'entrée différentielle étant court-circuitée, la sortie de bruit de la boîte et le bruit avec le circuit connecté sont respectivement de 7,81 mV_P-P (Figure 9) et 9,6 mV_P-P (Figure 10).

Figure 9 : Mesures du bruit de sortie avec entrée en court-circuit de la boîte de mesure de 78,1 mV_P-P (ou 7,81 μV_P-P, référencé à l'entrée). (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 10 : Mesures du bruit de sortie avec l'EVAL-CN0370-PMDZ d'Analog Devices connecté de 96 mV_P-P (ou 9,6 μV_P-P référencé à l'entrée). (Source de l'image : Analog Devices)

Le bruit non corrélé provenant des deux systèmes est combiné avec la formule RSS pour donner :

Le courant de bruit commandant la LED est égal à 5,58 mV_P-P divisé par 124 Ω ou 45 nA_P-P.

Figure 11 : La carte d'évaluation de circuit EVAL-CN0370-PMDZ est un circuit d'attaque de source de courant LED complet à faible bruit et alimentation unique, qui est contrôlé par un CNA 16 bits, et ce dans un facteur de forme PMOD. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Les LED IR et rouges sont utilisées dans les oxymètres de pouls pour effectuer des mesures non invasives de la saturation d'oxygène dans le sang et de la fréquence cardiaque. Leur rôle consiste à éclairer suffisamment le doigt d'un patient pour mesurer le rapport HbO₂/Hb, basé sur l'énergie reçue au niveau de la photodiode.

Le défi pour le concepteur système est alors de veiller à ce que la LED soit commandée par un courant présentant un faible niveau de bruit et de distorsion. Comme nous l'avons vu, il est possible de relever ce défi grâce à la combinaison d'un CNA 16 bits, de dispositifs à faible bruit dans les régions en 1/f et d'un amplificateur de circuit d'attaque LED rail-à-rail sans aucune distorsion de raccordement.