Negoziare rapidamente i percorsi dei segnali ottici indossabili con un monitor multiparametrico

I monitor indossabili per la salute e il fitness utilizzano varie tecniche per raccogliere un ampio spettro di dati di movimento, salute generale e informazioni sul sonno. Per i progettisti, il problema è capire come accogliere la domanda degli utenti finali per maggiori funzionalità in questi monitor indossabili per la pulsossimetria (SpO2), la fotopletismografia (PPG), l'elettrocardiogramma (ECG), la pressione sanguigna e la misurazione della frequenza respiratoria. Ogni funzione aggiuntiva va ad aggiungersi ai problemi di integrazione, gestione della potenza, prestazioni, peso, tempi di sviluppo e costi che i progettisti devono affrontare.

Ad esempio, le soluzioni SpO₂ richiedono tipicamente un'elettronica complicata con più circuiti integrati (CI) che creano un percorso ottico attraverso il corpo usando diodo a emissione luminosa (LED), fotosensori, amplificatori a transimpedenza (TIA), convertitori analogico/digitali (ADC) e algoritmi associati. Gli ECG richiedono un circuito analogico sensibile e a basso rumore con un amplificatore strumentale front-end e un ADC. Questi sistemi discreti utilizzano anche hardware aggiuntivo per ridurre gli effetti della luce ambientale e gestire le interferenze elettromagnetiche (EMI). Anche se queste soluzioni funzionano, richiedono uno spazio significativo sulla scheda CS e un firmware personalizzato, aumentando così i costi e allungando i tempi di sviluppo. Quello che serve è una soluzione più completa e integrata che risolva molti di questi problemi.

Questo articolo descrive entità fisiche indossabili e un monitor multiparametrico che comprende driver LED, TIA, un filtro passa banda, un integratore e un ADC. L'articolo mostra come utilizzare un monitor multiparametrico(ADPD4101 di Analog Devices) e le schede di sviluppo associate per semplificare e accelerare la progettazione.

Panoramica dei front-end analogici

Il monitoraggio dei segni vitali si estende oltre i confini della pratica medica e nella vita quotidiana. Inizialmente, il monitoraggio dei segni vitali della salute era prerogativa del controllo medico negli ospedali e nelle cliniche. I processi della microelettronica e i progressi nel design forniscono riduzioni di costo per i monitor indossabili, rendendo possibile la telemedicina, lo sport e il monitoraggio della salute. Con questa espansione ai dispositivi indossabili, gli standard di qualità relativi alla salute continuano a soddisfare le aspettative di eccellenza dell'utente.

Il monitoraggio dei segni vitali comporta la misurazione di una serie di parametri fisiologici che possono indicare la salute di un individuo. Ad esempio, una misurazione SpO₂ rileva la percentuale di ossigeno presente nel sangue e la frequenza cardiaca. I sensori appropriati per i dispositivi indossabili SpO₂ sono LED e fotodiodi.

Le misurazioni dell'ECG e della bioimpedenza determinano la frequenza cardiaca, la respirazione, la pressione sanguigna, la conduttanza della pelle e la composizione corporea. Le soluzioni per questi segni vitali devono essere compatte, efficienti dal punto di vista energetico e affidabili. Il monitoraggio di questi segni critici richiede misure ottiche, del biopotenziale e di impedenza.

Percorsi di segnale ottici dei segni vitali

La SpO₂ misura la percentuale di saturazione di ossigeno nel sangue e altri segni vitali. La misurazione dell'ossigeno nel sangue utilizza una tecnica SpO₂ che valuta la trasmissione della luce del LED attraverso il corpo a diverse frequenze ottiche. Il test SpO₂ può identificare la scarsa ossigenazione, indicando l'insorgenza di malattie o disturbi che colpiscono il sistema respiratorio. I dati della misurazione di SpO₂ possono anche stimare la vera saturazione arteriosa di O₂ e la concentrazione di ossigeno nel sangue (S_aO₂).

Quando si effettua una misurazione di SpO₂, il sistema ottico richiede vari LED e fotorilevatori. La tipica catena di segnali per le misurazioni ottiche ha una serie di LED che genera diverse lunghezze d'onda per permettere l'identificazione complessiva del livello relativo di ossigeno nel sangue. Una serie di fotodiodi al silicio trasforma il segnale ottico ricevuto dal LED in una fotocorrente. L'amplificazione e la conversione ADC della corrente del fotodiodo producono la risoluzione e la precisione necessarie (Figura 1).

Figura 1: La catena di segnali per il test di SpO₂ inizia con segnali luminosi a LED attraverso il corpo del paziente. Un fotodiodo acquisisce i segnali, convertendo la luce del LED in un segnale di corrente in pico-ampere. Un TIA converte quella corrente in una tensione e la invia a un ADC. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, modificata da Bonnie Baker)

Il test di SpO₂ utilizza LED a infrarossi (IR) con lunghezza d'onda di 940 nm e lunghezza d'onda rossa di 660 nm. Con la lunghezza d'onda IR di 940 nm, l'emoglobina ossigenata assorbe più luce IR. L'emoglobina deossigenata assorbe più luce rossa a lunghezza d'onda di 660 nm. Il fotodiodo riceve la luce non assorbita indipendentemente da entrambi i LED. Tuttavia, questi LED non trasmettono la luce allo stesso tempo. Vi è una sequenza di impulsi per i LED per garantire che gli errori di crossover siano trascurabili (Figura 2).

Figura 2: La temporizzazione dell'apparecchiatura SpO₂ del LED rosso da 660 nm (Pulse_RED) e del LED IR (Pulse_IR) assicura l'assenza di crossover di luce da ciascun segnale luminoso del LED. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

I segnali percepiti dai LED creano componenti c.a. e c.c. La componente c.a. rappresenta la natura pulsatile del sangue arterioso. La componente c.c. è una costante che rappresenta l'assorbimento della luce dovuto al tessuto, al sangue venoso e al sangue arterioso non pulsante. Questa componente è la parte non variabile nel tempo dell'arteria, che avviene durante la fase di riposo del cuore. L'equazione 1 mostra il calcolo della percentuale di SpO₂:

 Equazione 1

Il circuito di misurazione discreto della SpO₂ ha sei sistemi critici: amplificatori del driver LED, TIA, stadio di guadagno analogico, ADC, convertitore digitale/analogico (DAC) per controllare l'amplificatore driver LED e un riferimento di tensione analogico per l'ADC e il DAC.

Gli amplificatori del driver LED devono ciclare tra due canali per assicurare che le luci rosse e IR non interferiscano l'una con l'altra. Il TIA prende la corrente del fotodiodo e la converte in un'uscita di tensione. Un amplificatore di guadagno aumenta la grandezza del segnale in preparazione del campo di ingresso ADC all'uscita di tensione del TIA. Seguendo l'amplificatore di guadagno, un ADC digitalizza il segnale e lo invia a un microcontroller o DSP. Infine, l'intera catena di segnali richiede un riferimento di tensione analogico.

Misurazioni di biopotenziale e bioimpedenza

Il biopotenziale è un segnale elettrico dovuto all'attività elettrochimica del corpo. Una misurazione del biopotenziale può essere un elettrocardiogramma (ECG). L'ampiezza di un segnale del battito cardiaco eccezionalmente basso va da 0,5 mV a 4 mV e ha un campo di frequenza da 0,05 Hz a 40 Hz.

In ospedale o in studio, il medico controlla l'attività cardiaca fissando degli elettrodi alla pelle. Gli elettrodi umidi assicurano un buon contatto con il corpo e in genere sono composti di argento/cloruro d'argento (Ag/AgCl). Coloro che usano applicazioni indossabili trovano questi elettrodi estremamente scomodi perché possono seccare facilmente o irritare la pelle.

In alternativa, il circuito ECG indossabile accumula una carica elettrica su un condensatore di rilevamento. Con una costante di tempo ottimizzata, calcolata dalla rete passiva resistore-condensatore (RC), il processo di carica elimina la variazione dell'impedenza d'interfase pelle-elettrodo. Nella Figura 3, il segnale ECG si accoppia con una rete RC e TIA1. Questo circuito ECG ha un'immunità innata alle variazioni dell'impedenza d'interfase pelle-elettrodo.

Figura 3: Gli elettrodi adesivi ECG+ e ECG- sono collegamenti asciutti al paziente. Questi elettrodi trasmettono il cambiamento di carica della pelle alla rete RC. I modelli BIO-Z1 e BIO-Z2 sono collegamenti attraverso un resistore (R_BIO-Z) e usano TIA2 per misurare il cambiamento di resistenza cutanea in parallelo con R_BIO-Z. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, modificata da Bonnie Baker)

La bioimpedenza è un'altra misurazione che fornisce informazioni fisiche utili. Le misurazioni di impedenza forniscono informazioni sull'attività elettrodermica per quanto riguarda la composizione del corpo e il livello di idratazione. Il secondo circuito di rilevamento nella Figura 3 misura la resistenza cutanea utilizzando una resistenza dell'elettrodo R_BIO-Z in parallelo con la resistenza cutanea. Questo test non richiede un segnale LED. La resistenza cutanea è approssimativamente infinita, a meno che il paziente non generi umidità o sudore sotto l'elettrodo. La generazione di sudore corporeo riduce la resistenza cutanea parallela, aumentando la corrente all'ingresso invertente del TIA2.

Il monitor indossabile per la salute e il fitness presenta una combinazione unica di sfide di rilevamento fisiologico. Ogni requisito aggiuntivo aumenta la complessità del circuito e la superficie della scheda CS. Più aumentano le opzioni di monitor per la salute e il fitness, più cresce anche la necessità di un CI altamente integrato, complesso e compatto.

Il sensore multimodale integrato

I dispositivi in CI ADPD4100 e ADPD4101 sono front-end sensore multimodali completi che stimolano fino a otto LED e misurano il segnale di ritorno su un massimo di otto ingressi di corrente separati. Sono disponibili dodici intervalli di tempo, che consentono dodici misurazioni indipendenti per periodo di campionamento. Gli ingressi analogici possono essere pilotati in coppie a terminazione singola o differenziali. Gli otto ingressi analogici sono multiplati in un singolo canale o in due canali indipendenti, permettendo il campionamento simultaneo di due sensori. L'unica differenza tra questi due prodotti è che ADPD4100 ha un'interfaccia SPI e ADPD4101 ha un'interfaccia I²C (Figura 4).

Figura 4: Il diagramma a blocchi funzionale di ADPD4100 e ADPD4101 illustra i canali di uscita del driver LED e i canali di ingresso analogici. I canali di ingresso ricevono i segnali dei fotodiodi o di corrente capacitiva per la conversione mediante l'ADC. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 4, il controllo della temporizzazione di elaborazione digitale ha dodici intervalli temporali disponibili, permettendo dodici misurazioni indipendenti per periodo di campionamento. Insieme ai LED e ai fotodiodi esterni, l'architettura flessibile di ADPD4100/ADPD4101 aiuta i progettisti a soddisfare le esigenze di misurazione indossabile raccogliendo dati di biopotenziale e bioimpedenza. ADPD4100 ha un modulo analogico completo con un'interfaccia digitale SPI. L'interfaccia digitale di ADPD4101 è I²C.

I percorsi del segnale analogico di ADPD4100/ADPD4101 consistono in otto ingressi di corrente configurabili come coppie a terminazione singola o differenziali in uno dei due canali indipendenti (Figura 5).

Figura 5: Il diagramma a blocchi del percorso di segnale analogico ha otto terminali di ingresso analogico e due TIA. Il filtro passa banda (BPF) precede l'integratore che aiuta ad aumentare la risoluzione dell'ADC. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 5, l'opzione di campionare simultaneamente due sensori è disponibile con i due canali TIA. Ogni canale può accedere a un TIA con guadagno programmabile (R_F), un filtro passa-banda (BPF) con un angolo passa-alto a 100 kHz, una frequenza di taglio passa-basso di 390 kHz e un integratore capace di integrare ±7,5 pC per campione. Ogni canale è multiplato nel tempo in un ADC a 14 bit. Nella Figura 5, R_INT è il resistore in serie all'ingresso dell'integratore.

ADPD4100/ADPD4101 risolve molte delle sfide che devono affrontare i progettisti nel lavoro su dispositivi indossabili. Il front-end biomedico soddisfa tutti i requisiti con le sue alte prestazioni, lo stadio di ingresso del sensore a due canali, i canali di stimolo, il motore di elaborazione digitale e il controllo della temporizzazione. Questa generazione di front-end di sensori multimodali ha migliorato le specifiche di segnale-rumore di 100 dB e ha ridotto il consumo energetico (30 µW) per l'intero sistema.

Scheda di valutazione ADPD4101

La scheda di valutazione EVAL-ADPD4100Z-PPG (Figura 6) è utile per i progettisti che stanno considerando il front-end fotometrico ADPD4100/ADPD4101. Questa scheda implementa un semplice progetto ottico discreto per applicazioni di monitoraggio dei segni vitali, in particolare la fotopletismografia (PPG) da polso.

Figura 6: La scheda EVAL-ADPD4100Z-PPG aiuta a valutare ADPD4100/ADPD4101 per progetti di fotopletismografia (PPG) da polso. Gli elementi ottici (a destra) comprendono tre LED verdi, uno a infrarossi e uno rosso, oltre che un fotodiodo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

EVAL-ADPD4100Z-PPG ha tre LED verdi, uno IR a infrarossi e uno rosso, tutti pilotati separatamente. Vi è anche un singolo fotodiodo, il che rende questa scheda di valutazione pronta per l'uso immediato.

Un progetto di riferimento per ADPD4101

Uno strumento utile per collegare i sensori ad ADPD4101 è il progetto di riferimento EVAL-CN0503-ARDZ. Questo progetto di riferimento non si riferisce espressamente ai monitor indossabili, ma è utile consultate il manuale dell'utente CN0503 per capire come la scheda EVAL-CN0503-ARDZ utilizzi ADPD4101 per rilevare torbidità, pH, composizione chimica e altre proprietà fisiche. Il progetto di riferimento EVAL-CN0503-ARDZ è una piattaforma per liquidi ottici riconfigurabile e multiparametrica capace di eseguire misurazioni di colorimetria e fluorometria (Figura 7).

Figura 7: Schema semplificato della piattaforma di misurazione di liquidi ottici EVAL-CN0503-ARDZ. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

EVAL-CN0503-ARDZ, in combinazione con la scheda di sviluppo EVAL-ADICUP3029, ha quattro percorsi ottici configurabili (Figura 8). I due percorsi esterni includono anche fotodiodi perpendicolari e prese per filtri per misurare la fluorescenza e la diffusione. Ogni percorso ha un LED di eccitazione, una lente condensatrice, un divisore di fascio, un fotodiodo di riferimento e un fotodiodo di trasmissione.

Figura 8: EVAL-CN503-ARDZ completamente assemblato in alto e EVAL-AIDCUP3029 in basso. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo allestimento ottico, insieme al driver per dispositivi CN0503 e al software di valutazione Wavetool, fornisce un percorso per l'analisi completa dei liquidi ottici.

Conclusione

Ai progettisti viene costantemente chiesto di aggiungere più funzionalità ai monitor indossabili. Questo complica e rallenta il processo di progettazione, fa lievitare il costo dei componenti e aumenta il consumo energetico. È necessario un approccio più integrato al monitoraggio della salute.

Come mostrato, la combinazione di LED, fotorilevatori, un percorso di segnale ADC e dodici percorsi di segnale temporizzati forniti da ADPD4101 di Analog Devices crea un sistema di rilevamento robusto e ad alta precisione per dispositivi medici e ricreativi indossabili. Con i molteplici LED e canali analogici e algoritmi di temporizzazione superiori, ADPD4101 è una soluzione ideale per le misurazioni indossabili di SpO₂, ECG cardiaco e resistenza pellicolare.