Szybkie wykorzystanie danych biometrycznych, biologicznej informacji zwrotnej i świadomości sytuacyjnej w środowiskach immersyjnych

Tworzenie immersyjnych środowisk rzeczywistości wirtualnej (VR), rzeczywistości mieszanej (MR), rzeczywistości rozszerzonej (AR) i rzeczywistości powiększonej (XR) dla metawersu jest zadaniem złożonym. Aby pomóc projektantom w tworzeniu tych środowisk, umożliwiono im wykorzystanie danych biometrycznych do zrozumienia reakcji użytkowników i kondycji fizycznej, wykorzystanie biologicznej informacji zwrotnej do interakcji z użytkownikiem oraz analizy sytuacyjnej do zrozumienia otoczenia. Biometrię można wdrożyć za pomocą pulsoksymetrów o wysokiej czułości i czujników częstości akcji serca. Biologiczna informacja zwrotna może być dostarczana za pośrednictwem treści audio lub poprzez elementy haptyczne, umożliwiające interakcje dotykowe. Wreszcie, trójwymiarowe (3D) czujniki czasu przelotu (ToF) z laserem o emisji powierzchniowej z wnęką pionową (VCSEL), zdolne do rejestrowania z szybkością 30 klatek na sekundę (fps), mogą stale mapować środowisko i wspierać świadomość sytuacyjną.

Metawers to szybko rozwijające się możliwości. Projektanci mogą być pod presją szybkiego opracowywania i integrowania gamy technologii potrzebnych do odczytu i przekazywania informacji zwrotnej niskiej mocy w oparciu o rozwiązania dyskretne, przy jednoczesnym spełnieniu ograniczeń związanych z czasem wprowadzania na rynek i kosztami rozwojowymi. Ponadto wiele urządzeń metawersu jest zasilanych z baterii, co sprawia, że koniecznością są rozwiązania niskiej mocy.

Aby sprostać tym wyzwaniom, projektanci mogą skorzystać ze zintegrowanych rozwiązań, które obsługują bardzo czułe pulsoksymetry i czujniki częstości akcji serca, zapewniają wysokiej jakości dźwięk klasy D i potwierdzenie haptyczne oraz wykorzystują rozwiązania oparte na trójwymiarowych (3D) czujnikach czasu przelotu (ToF) z laserami o emisji powierzchniowej z wnęką pionową (VCSEL), które mogą wykrywać pozycje i rozmiary obiektów z wysokim poziomem szczegółowości - nawet w warunkach silnego światła z otoczenia.

W tym artykule omówiono działanie pulsoksymetrów i czujników częstości akcji serca, opisano w jaki sposób wzmacniacze klasy D mogą zapewnić wysokiej jakości dźwiękową informację zwrotną przy bardzo niskiej mocy, a także przedstawiono szereg energooszczędnych układów scalonych firmy Analog Devices do biometrii, biologicznej informacji zwrotnej i świadomości sytuacyjnej wraz z płytkami ewaluacyjnymi.

Pomiar warunków biometrycznych

Fotopletyzmogram (PPG) mierzy zmiany objętości krwi na poziomie mikronaczyniowym i jest często wykorzystywany w celu wdrożenia pulsoksymetru i monitora częstości akcji serca. Fotopletyzmografia (PPG) wykorzystuje lasery do oświetlania skóry i pomiaru zmian w absorpcji (lub odbiciu) światła przy określonych długościach fal. Wynikowy sygnał PPG zawiera składowe prądu stałego (DC) i prądu zmiennego (AC). Stały współczynnik odbicia skóry, mięśni, kości i krwi żylnej daje sygnał prądu stałego (DC). Pulsacje krwi tętniczej wynikłe z akcji serca są głównym źródłem sygnału prądu zmiennego (AC). W fazie skurczowej (pompowania) odbijane jest więcej światła niż w fazie rozkurczowej (relaksacji) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Sygnał fotopletyzmograficzny (PPG) w pulsoksymetrii zawiera zarówno składowe prądu stałego (DC), jak i prądu zmiennego (AC), związane odpowiednio z elementami, takimi jak struktura tkanki i przepływ krwi tętniczej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Stosunek plusacyjnego przepływu krwi (sygnał prądu zmiennego) do niepulsacyjnego przepływu krwi (sygnał prądu stałego) w sygnale fotopletyzmograficznym (PPG) stanowi wskaźnik perfuzji (PI). Wykorzystując wskaźniki perfuzji (PI) na różnych długościach fal można oszacować poziom saturacji krwi tlenem (SpO2). Zaprojektowanie systemu fotopletyzmograficznego (PPG) w taki sposób, aby zmaksymalizować wskaźniki perfuzji PI zwiększa dokładność szacowania SpO2. Wskaźniki perfuzji (PI) można zwiększyć dzięki ulepszeniu konstrukcji mechanicznej i zastosowaniu czujników o większej precyzji.

Systemy fotopletyzmograficzne (PPG) mogą opierać się na architekturach transmisyjnej i odbiciowej (ilustracja 2). System transmisyjny jest stosowany w tych obszarach ciała, przez które światło może łatwo przechodzić, takich jak płatki uszu i opuszki palców. Takie konfiguracje mogą spowodować wzrost wskaźnika perfuzji PI o 40-60dB. W odbiciowym systemie fotopletyzmograficznym (PPG) fotodetektor i dioda LED są umieszczone obok siebie. Odbiciowe systemy fotopletyzmograficzne (PPG) można stosować na nadgarstku, klatce piersiowej lub innych obszarach. Wykorzystanie konstrukcji odbiciowej zmniejsza wskaźniki perfuzji PI i wymaga zastosowania w czujniku analogowego układu front-end (AFE) o wyższych parametrach. Aby uniknąć nadmiernego obciążenia analogowego układu front-end (AFE), krytyczne znaczenie ma również odległość. Oprócz rozważań dotyczących konstrukcji mechanicznej i elektrycznej, poważnym wyzwaniem może być także opracowanie oprogramowania do właściwej interpretacji sygnałów wskaźnika perfuzji PI.

Ilustracja 2: W prostym pulsoksymetrze i czujniku częstości akcji serca można zastosować pojedynczą diodę LED na podczerwień, jednak zastosowanie wielu diod LED umożliwia generowanie sygnału wyjściowego wyższej jakości. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Dodatkowym wyzwaniem przy projektowaniu systemów fotopletyzmograficznych (PPG) jest konieczność uwzględnienia każdego ruchu użytkownika podczas wykonywania pomiaru. Ruch może powodować nacisk, który może zmieniać szerokość tętnic i żył, wpływając na ich interakcję ze światłem, co powoduje zmianę sygnałów wskaźnika perfuzji PI. Ponieważ zarówno sygnały fotopletyzmograficzne (PPG), jak i typowe wykonywane ruchy mają podobne zakresy częstotliwości, nie jest możliwe proste odfiltrowanie skutków ruchu. Aby je wyeliminować, do pomiaru ruchu można użyć przyspieszeniomierza.