Wróć

Szybkie uzgadnianie optycznych ścieżek sygnałowych za pomocą ubieralnego monitora wieloparametrowego

Każda dodatkowa funkcja medycznych urządzeń noszonych zwiększa narzucane projektantom wyzwania związane z integracją, zarządzaniem energią, wydajnością, wagą, czasem prac rozwojowych i kosztami.
Opublikowano: 2021-07-15

Ubieralne monitory stanu zdrowia i kondycji fizycznej wykorzystują różne techniki do zbierania szerokiego spektrum informacji dotyczących ruchu, ogólnego zdrowia i snu. Projektanci zmagają się z problemem zaspokojenia zapotrzebowania użytkowników końcowych na rozszerzenie funkcji tych monitorów ubieralnych o pulsoksymetrię (SpO2), fotopletyzmografię (PPG), elektrokardiografię (EKG), pomiar ciśnienia krwi i częstości oddechów. Każda dodatkowa funkcja tylko zwiększa narzucane projektantom wyzwania związane z integracją, zarządzaniem energią, wydajnością, wagą, czasem prac rozwojowych i kosztami.

Na przykład rozwiązania pomiaru SpO2 zazwyczaj wymagają skomplikowanej elektroniki z wieloma układami scalonymi (IC), które tworzą ścieżkę optyczną przez ciało i wykorzystują diody elektroluminescencyjne (LED), fotoczujniki, wzmacniacze transimpedancyjne (TIA), przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) i powiązane algorytmy. Urządzenia EKG wymagają czułego, niskoszumowego obwodu analogowego ze wzmacniaczem instrumentacyjnym front-end i przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC). Te systemy dyskretne wykorzystują również dodatkowy sprzęt w celu zmniejszenia wpływu światła otoczenia i zarządzania zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Chociaż rozwiązania te działają, wymagają znacznej przestrzeni na płytce drukowanej i niestandardowego oprogramowania układowego, co zwiększa koszty i wydłuża czas prac rozwojowych. Wymagane jest bardziej całościowe i zintegrowane rozwiązanie, które załatwi wiele z tych problemów projektowych.

W niniejszym artykule opisano ubieralne jednostki fizyczne i monitor wieloparametrowy zawierający sterowniki LED, wzmacniacze transimpedancyjne (TIA), filtr pasmowo-przepustowy, układ całkujący i przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Artykuł przedstawia wykorzystanie monitora wieloparametrowego (ADPD4101 firmy Analog Devices) i powiązanych płytek rozwojowych w celu uproszczenia i przyspieszenia procesu projektowania.


Omówienie analogowego układu front-end

Monitorowanie podstawowych parametrów fizjologicznych wychodzi poza granice praktyki medycznej i wkracza w codzienne życie. Początkowo monitorowanie podstawowych parametrów fizjologicznych odbywało się pod ścisłym nadzorem medycznym w szpitalach i klinikach. Procesy mikroelektroniczne i postępy w projektowaniu zapewniają redukcję kosztów monitorów ubieralnych, otwierając furtkę telemedycynie oraz monitorowaniu aktywności i kondycji fizycznej. Dzięki tej ekspansji do urządzeń ubieralnych standardy jakości związane ze zdrowiem nadal odpowiadają wysokim oczekiwaniom użytkowników w zakresie jakości.

Monitorowanie podstawowych parametrów fizjologicznych polega na pomiarze szeregu wielkości, które mogą określać stan zdrowia danej osoby. Na przykład pomiar SpO2 wykrywa procent utlenowania krwi i częstość akcji serca. Odpowiednimi czujnikami do urządzeń ubieralnych SpO2 są diody LED i fotodiody.

Pomiary EKG i bioimpedancji określają częstość akcji serca i oddechu, ciśnienie krwi, przewodność skóry oraz skład ciała. Rozwiązania dotyczące tych podstawowych parametrów fizjologicznych muszą być kompaktowe, energooszczędne i niezawodne. Monitorowanie tak krytycznych parametrów wymaga pomiarów optycznych, biopotencjału i impedancji.


Optyczne ścieżki sygnałowe podstawowych parametrów fizjologicznych

W badaniu SpO2 mierzy się procent nasycenia krwi tlenem i inne parametry fizjologiczne. W pomiarze utlenowania krwi wykorzystuje się metodę SpO2, która ocenia przepuszczalność światła LED przez ciało przy różnych częstotliwościach optycznych. Badanie SpO2 może zidentyfikować słabe utlenowanie, wskazujące na początek chorób lub zaburzeń układu oddechowego. Dane z pomiaru SpO2 mogą również pomóc oszacować rzeczywiste nasycenie tętnicze O2 i stężenie tlenu we krwi (SaO2).

Podczas wykonywania pomiaru SpO2 układ optyczny wymaga zestawu narzędzi z różnymi diodami LED i fotodetektorami. Typowy łańcuch sygnałowy do pomiarów optycznych zawiera diody LED, które generują fale o różnych długościach umożliwiających ogólną identyfikację względnego poziomu tlenu we krwi. Szereg fotodiod krzemowych przekształca odebrany sygnał optyczny LED w fotoprąd. Wzmocnienie prądu fotodiody i jego konwersja w przetworniku analogowo-cyfrowym (ADC) zapewnia wymaganą rozdzielczość i dokładność (ilustracja 1).

Diagram łańcucha sygnałowego do badania SpO2 zaczynającego się od sygnałów świetlnych LED (kliknij, aby powiększyć)

Ilustracja 1: Łańcuch sygnałowy do badania SpO2 rozpoczyna się od sygnałów świetlnych LED przechodzących przez ciało pacjenta. Fotodioda przechwytuje sygnały przechodzące przez ciało, przekształcając światło diody LED na sygnał prądowy o natężeniu rzędu pikoamperów (pA). Wzmacniacz transimpedancyjny (TIA) przekształca ten prąd w napięcie i wysyła go do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). (Źródło ilustracji: Analog Devices, zmodyfikowane przez Bonnie Baker)

W badaniu SpO2 wykorzystuje się diody podczerwieni (IR) o długości fali 940nm i czerwone diody LED o długości fali 660nm. Przy fali podczerwonej o długości 940nm natleniona hemoglobina pochłania więcej światła podczerwonego. Odtleniona hemoglobina pochłania więcej światła czerwonego o długości fali 660nm. Od obu diod LED do fotodiody dociera niezależnie niezaabsorbowane światło. Jednak te diody LED nie emitują światła w tym samym czasie. Diody LED mają sekwencję impulsów zapewniającą, że błędy krzyżowe będą pomijalne (ilustracja 2).

Schemat taktowania urządzenia SpO2 z czerwoną diodą LED 660nm (PulseRED) i diodą podczerwieni (PulseIR) (kliknij, aby powiększyć)

Ilustracja 2: Taktowanie czerwonej diody LED 660nm (PulseRED) i diody podczerwieni (PulseIR) w urządzeniach SpO2 zapewnia brak przenikania światła z każdego sygnału świetlnego LED. (Źródło ilustracji: Bonnie Baker)

Odbierane sygnały z diod LED tworzą składowe prądu zmiennego (AC) i stałego (DC). Składowa AC reprezentuje pulsacyjny charakter krwi tętniczej. Składowa DC jest stałą, która reprezentuje absorpcję światła przez tkankę, krew żylną i niepulsującą krew tętniczą. Ta składowa jest częścią tętniczą niezmienną w czasie, odpowiadającą fazie spoczynkowej serca. Równanie 1 przedstawia sposób obliczania wartości procentowej SpO2:

Równanie 1 

Dyskretny obwód pomiarowy SpO2 zawiera sześć krytycznych układów: wzmacniacze sterownika LED, wzmacniacze transimpedancyjne, analogowy stopień wzmocnienia, przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) do sterowania wzmacniaczem sterownika LED oraz analogowe napięcie odniesienia dla przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) i przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC).

Wzmacniacze sterownika LED muszą przełączać się między dwoma kanałami, aby zapewnić, że światła czerwone i podczerwone nie przenikają się nawzajem. Wzmacniacz transimpedancyjny pobiera prąd fotodiody i przekształca go na wyjściowy sygnał napięciowy. Wzmacniacz wzmocnienia zwiększa wielkość sygnału, dostosowując go do zakresu wejściowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) na wyjściu napięciowym wzmacniacza transimpedancyjnego. Za wzmacniaczem wzmocnienia, przetwornik analogowo-cyfrowy digitalizuje sygnał i wysyła go do mikrokontrolera lub cyfrowego procesora sygnałowego (DSP). Wreszcie, cały łańcuch sygnałowy wymaga analogowego napięcia odniesienia.

Strona: 1/3
https://www.phoenixcontact.com/online/portal/pl?1dmy&urile=wcm%3apath%3a/plpl/web/offcontext/insite_landing_pages/24822915-6617-4a31-88e5-54c41b031dd4/24822915-6617-4a31-88e5-54c41b031dd4
https://www.phoenixcontact.com/online/portal/pl?1dmy&urile=wcm%3apath%3a/plpl/web/offcontext/insite_landing_pages/24822915-6617-4a31-88e5-54c41b031dd4/24822915-6617-4a31-88e5-54c41b031dd4