Forhandle optiske signalbaner for kroppsbårne enheter raskt med en multiparameter-monitor

Kroppsbårne enheter for helse- og treningsovervåking bruker forskjellige teknikker til å samle inn et bredt spekter av informasjon om bevegelse, helse og søvn. Problemet for konstruktører er å finne ut hvordan man imøtekommer sluttbrukernes krav om mer funksjonalitet i disse kroppsbårne monitorene for måling av pulsoksimetri (SpO2), fotopletysmografi (PPG), elektrokardiogram (EKG), blodtrykk og respirasjonsfrekvens. Hver ekstra funksjon øker utfordringene som konstruktørene står ovenfor når det kommer til integrasjon, strømstyring, ytelse, vekt, utviklingstid og kostnader.

For eksempel krever SpO₂-løsninger vanligvis komplisert elektronikk med flere integrerte kretser (IC-er) som skaper en optisk bane gjennom kroppen ved hjelp av lysdioder (LED-er), fotosensorer, transimpedansforsterkere (TIA), analog-til-digital-omformere (ADC-er) og tilhørende algoritmer. EKG-er (ECG – electrocardiodiogram) krever en følsom analog krets med lav støy med en inngangsinstrumentforsterker og en A-D-omformer. Disse frittstående systemene bruker også ekstra maskinvare for å redusere virkningene av omgivende lys og håndtere elektromagnetisk interferens (EMI). Selv om disse løsningene fungerer, krever de betydelig plass på kretskortet og tilpasset fastvare, noe som øker kostnadene og forlenger utviklingstiden. Det som trengs, er en mer komplett og integrert løsning som løser mange av disse konstruksjonsproblemene.

Denne artikkelen beskriver kroppsbårne fysiske enheter og en multiparameter-monitor som omfatter lysdiodedrivere, TIA-er, et båndpassfilter, en integrator og en A-D-omformer. Artikkelen viser hvordan man bruker en multiparameter-monitor (Analog Devices sin ADPD4101) og tilknyttede utviklingskort til å forenkle og akselerere konstruksjonsprosessen.

Analog inngang (front end) oversikt

Overvåking av livstegn strekker seg utover grensene for hva medisinsk praksis omfatter og inn i hverdagen. I utgangspunktet var overvåking av helserelaterte livstegn under strengt medisinsk tilsyn på sykehus og i klinikker. Mikroelektroniske prosesser og konstruksjonsfremskritt gir kostnadsreduksjoner for kroppsbårne monitorer, noe som gjør telemedisin-, sport- og treningsovervåking mulig. Med denne utvidelsen til kroppsbårne enheter, fortsetter helserelaterte kvalitetsstandarder å tilfredsstille brukeres høye forventninger til optimal ytelse.

Overvåking av livstegn innebærer måling av en serie fysiologiske parametre som kan vise helsen til et individ. For eksempel detekterer en SpO₂-måling prosentandelen av blodoksygenering og hjerterytme. Passende sensorer for kroppsbårne SpO₂-enheter er lysdioder og fotodioder.

EKG- og bioimpedansmålinger fastsetter hjerterytme, pust, blodtrykk, hudkonduktans og kroppssammensetning. Løsningene for disse livstegnene må være kompakte, energieffektive og pålitelige. Overvåking av disse kritiske tegnene krever optiske målinger, biopotensielle målinger og impedansmålinger.

Optiske signalveier for livstegn

SpO₂ måler prosentandelen av oksygenmetning i blodet og andre livstegn. Målingen av blodoksygenering bruker en SpO₂-teknikk som evaluerer lysdiodelysets overføring gjennom hud ved forskjellige optiske frekvenser. SpO₂-testen kan identifisere dårlig oksygenering, noe som kan indikere begynnelsen av sykdommer eller lidelser som påvirker luftveiene. Data fra SpO₂-målingen kan også estimere den virkelige arterielle O₂-metningen og blodoksygenkonsentrasjonen (S_aO₂).

Når du foretar en SpO₂-måling, krever det optiske systemet et utvalg av forskjellige lysdioder og fotodetektorer. Den typiske signalkjeden for optiske målinger har lysdioder som genererer flere bølgelengder som muliggjør generell identifikasjon av det relative oksygennivået i blodet. En serie silisiumfotodioder transformerer det mottatte optiske lysdiodesignalet til en fotostrøm. Forsterkningen og A-D-omformingen av fotodiodens strøm produserer den nødvendige oppløsningen og nøyaktigheten (figur 1).

Figur 1: Signalkjeden for SpO₂-testen starter med lysdiode-lyssignaler gjennom pasientens hud. En fotodiode fanger opp signalene som går gjennom huden, og konverterer lysdiode-lyset til et pikoampere (pA)-strømsignal. En TIA konverterer strømmen til en spenning og sender den til en A-D-omformer. (Bildekilde: Analog Devices, modifisert av Bonnie Baker)

SpO₂-testen bruker lysdioder med infrarøde (IR) bølgelengder på 940 nanometer (nm) og røde bølgelengder på 660 nm. Med IR-bølgelengden på 940 nm, absorberer oksygenert hemoglobin mer av IR-lyset. Deoksygenert hemoglobin absorberer mer av det røde bølgelengdelyset på 660 nm. Fotodioden mottar det ikke-absorberte lyset uavhengig fra begge lysdiodene. Disse lysdiodene sender imidlertid ikke lys samtidig. Det er en pulssekvens for lysdiodene for å sikre at delefilterfeil er ubetydelige (figur 2).

Figur 2: SpO₂-utstyrets timing av den røde lysdioden (Pulse_RED) på 660 nm og IR-lysdioden (Pulse_IR) sørger for at det ikke er noe lysblødning fra hvert lysdiode-lyssignal. (Bildekilde: Bonnie Baker)

De opplevde signalene fra lysdiodene skaper vekselstrøms- og likestrømskomponenter. Vekselstrømskomponenten representerer arterieblodets pulserende natur. Likestrømskomponenten er en konstant som representerer lysabsorpsjonen på grunn av huden, veneblod og ikke-pulserende arterieblod. Denne komponenten er den ikke-tidsvarierende delen av arterien, som skjer under hvilefasen til hjertet. Ligning 1 viser beregningen av SpO₂-prosenten:

 Ligning 1

Den diskrete SpO₂-målekretsen har seks kritiske systemer: lysdiode-driverforsterkere, TIA-er, analogt forsterkningstrinn, A-D-omformer (ADC), digital-til-analog-omformer (DAC) for å styre lysdiode-driverforsterkeren, og en analog spenningsreferanse for ADC-en og DAC-en.

LED-driverforsterkerne må løpe mellom to kanaler syklisk for å sikre at de røde lysene og IR-lysene ikke blør inn i hverandre. TIA-en konverterer fotodiodestrømmen til en utgangsspenning. En forsterker øker signalstørrelsen som en forberedelse på A-D-omformer-inngangsområdet ved TIA-ens spenningsutgang. Etter forsterkeren, digitaliserer en ADC signalet og sender det til en mikrokontroller eller DSP. Til slutt krever hele signalkjeden en analog spenningsreferanse.

Biopotensial- og bioimpedansmålinger

Et biopotensial er et elektrisk signal på grunn av kroppens elektrokjemiske aktivitet. En biopotensialmåling kan for eksempel være en EKG. En usedvanlig lav hjerteslagsignalamplitude er mellom 0,5 millivolt (mV) og 4 mV, og har et frekvensområde fra 0,05 Hertz (Hz) til opptil 40 Hz.

På sykehuset eller legekontoret overvåker legen hjerteaktiviteten ved å feste elektroder på huden. Våte elektroder sikrer god kroppskontakt, vanligvis puter av sølv/sølvklorid (Ag/AgCl). Personer som bruker kroppsbårne enheter opplever at disse elektrodene er ekstremt ubehagelige og lett kan tørke ut eller begynne å irritere huden.

Som et alternativ akkumulerer den kroppsbårne EKG-kretsen en elektrisk ladning på en sensorkondensator. Med en optimalisert tidskonstant som er beregnet fra det passive motstand-kondensator-nettverket (RC – resistor-capasitor), eliminerer ladeprosessen variasjonen på hud-til-elektrode-kontaktimpedansen. I figur 3 kobles EKG-signalet inn i et RC-nettverk og TIA1. Denne EKG-kretsen har iboende immunitet mot variasjoner i hud-til-elektrode-kontaktimpedansen.

Figur 3: EKG+- og EKG-puter er tørre forbindelser til pasienten. Disse putene overfører endringen i hudladning til RC-nettverket. BIO-Z1 og BIO-Z2 er forbindelser gjennom en hudplaster-motstand (R_BIO-Z), og bruker TIA2 til å måle endringen i hudmotstand parallelt med R_BIO-Z. (Bildekilde: Analog Devices, modifisert av Bonnie Baker)

Bioimpedans er en annen måling som gir nyttig fysisk informasjon. Impedansmålinger gir informasjon om elektrodermal aktivitet med hensyn til kroppens sammensetning og hydreringsnivå. Den andre sensorkretsen på figur 3 måler hudmotstand ved å bruke en putemotstand, R_BIO-Z, parallelt med hudmotstanden. Denne testen krever ikke et lysdiodesignal. Hudmotstanden er omtrent uendelig med mindre pasienten genererer fuktighet eller svette under puten. Genereringen av kroppssvette reduserer den parallelle hudmotstanden, noe som øker strømmen som går inn i den inverterende inngangen til TIA2.

Den kroppsbårne helse- og treningsmonitoren presenterer en unik kombinasjon av fysiologiske sensorutfordringer. Hvert ekstra krav øker kretsens kompleksitet og kretskortets størrelsesbehov. Etter hvert som antallet alternativer for helse- og treningsovervåking vokser, øker også behovet for en svært integrert, kompleks og kompakt IC.

Den integrerte multimodale sensoren

ADPD4100 og ADPD4101 IC-ene er komplette multimodale sensorinnganger som stimulerer opptil åtte lysdioder og måler retursignalene med opptil åtte separate strøminnganger. Tolv tidsluker er tilgjengelige, og disse muliggjør tolv uavhengige målinger per samplingsperiode. De analoge inngangene kan drives enkeltvis eller i differensialpar. De åtte analoge inngangene er multiplekset til én enkelt kanal eller to uavhengige kanaler, noe som muliggjør samtidig sampling av to sensorer. Den eneste forskjellen mellom disse to produktene er at ADPD4100 har et SPI-grensesnitt og ADPD4101 har et I²C-grensesnitt (figur 4).

Figur 4: Blokkskjemaet for ADPD4100 og ADPD4101 illustrerer lysdiodedriverens utgangskanaler og de analoge inngangskanalene. Inngangskanalene mottar fotodiodesignaler eller kapasitive strømsignaler for konvertering gjennom A-D-omformeren. (Bildekilde: Analog Devices)

I figur 4 har timingstyringen for digital behandling tolv tidsluker tilgjengelig, og disse muliggjør tolv separate målinger per samplingsperiode. Kombinert med eksterne lysdioder og fotodioder, gjør den fleksible arkitekturen til ADPD4100/ADPD4101 det enklere for konstruktører å møte behovene for kroppsbårne målinger ved å samle inn biopotensial- og bioimpedansdata. ADPD4100 har en fullstendig analog modul med et digitalt SPI-grensesnitt. Det digitale grensesnittet til ADPD4101 er I²C.

De analoge signalbanene til ADPD4100/ADPD4101 omfatter åtte strøminnganger som kan konfigureres som enkeltstående eller differensialpar i én av to uavhengige kanaler (figur 5).

Figur 5: Blokkskjemaet for den analoge signalbanen har åtte analoge inngangsterminaler og to TIA-er. Båndpassfilteret (BPF) går foran integratoren som bidrar til å øke oppløsningen til A-D-omformeren. (Bildekilde: Analog Devices)

I figur 5 er muligheten for samtidig prøvetaking av to sensorer tilgjengelig med de to TIA-kanalene. Hver kanal kan få tilgang til en TIA med programmerbar forsterkning (R_F), et båndpassfilter (BPF) med et høypasshjørne på 100 kilohertz (kHz), en lavpass-avbruddsfrekvens på 390 kHz og en integrator som er i stand til å integrere ±7,5 pikocoulomber (pC) per sampling. Hver kanal blir tidsmultiplekset til en 14-biters A-D-omformer. I figur 5 er R_INT seriemotstanden til integratorens inngang.

ADPD4100/ADPD4101 løser mange utfordringer som konstruktører står overfor når de arbeider med kroppsbårne enheter. Den biomedisinske inngangen oppfyller alle kravene med sin høye ytelse, tokanals sensorinngangstrinn, stimulikanaler, digitale behandlingsmotor og timingstyring. Denne multimodale sensorinngang-genereringen har forbedrede signal-til-støy-spesifikasjoner på 100 desibel (dB) og redusert strømforbruk (30 mikrowatt (µW)) for hele systemet.

Evalueringskort ADPD4101

EVAL-ADPD4100Z-PPG-evalueringskortet (figur 6) er nyttig for konstruktører som vurderer den fotometriske inngangen til ADPD4100/ADPD4101. Kortet implementerer en enkel frittstående optisk konstruksjon for overvåking av livstegn, spesielt håndleddsbasert PPG.

Figur 6: EVAL-ADPD4100Z-PPG-kortet bidrar til å evaluere ADPD4100/ADPD4101 for håndleddsbaserte PPG-konstruksjoner. De optiske elementene (høyre) omfatter tre grønne, én IR og én rød lysdiode, samt en fotodiode. (Bildekilde: Analog Devices)

EVAL-ADPD4100Z-PPG har tre grønne, én IR og én rød lysdiode, der alle er drevet separat. Det er også en enkelt integrert fotodiode som gjør evalueringskortet klart for umiddelbar drift.

En ADPD4101-referansekonstruksjon

Referansekonstruksjonen EVAL-CN0503-ARDZ er et nyttig verktøy for å koble sensorer til ADPD4101-en. Denne referansekonstruksjonen omhandler ikke spesifikt kroppsbårne monitorer, men den er nyttig for å se hvordan brukerhåndboken til CN0503 illustrerer at EVAL-CN0503-ARDZ-en bruker ADPD4101-en til å detektere turbiditet, pH, kjemisk sammensetning og andre fysiske egenskaper. EVAL-CN0503-ARDZ-referansekonstruksjonen er en rekonfigurerbar, optisk væskeplattform med flere parametre, som kan utføre kolorimetri- og fluorometrimålinger (figur 7).

Figur 7: Forenklet skjema over den optiske væskemålingsplattformen EVAL-CN0503-ARDZ. (Bildekilde: Analog Devices)

EVAL-CN0503-ARDZ, i kombinasjon med utviklingskortet EVAL-ADICUP3029, har fire konfigurerbare optiske baner (figur 8). De to ytre banene omfatter også vinkelrette fotodioder og filteruttak for fluorescens- og spredningsmålinger. Hver bane har en eksitasjonslysdiode, kondensorlinse, strålesplitter, referansefotodiode og overføringsfotodiode.

Figur 8: Fullstendig montert EVAL-CN503-ARDZ øverst og EVAL-AIDCUP3029 nederst. (Bildekilde: Analog Devices)

Dette optiske oppsettet, kombinert med CN0503-Device Driver og Wavetool Evaluation Software, gir en bane for omfattende optisk væskeanalyse.

Konklusjon

Konstruktører blir stadig bedt om å integrere mer og mer funksjonalitet i kroppsbårne monitorer. Dette kompliserer og sinker konstruksjonsprosessen ytterligere, gir høyere komponentkostnader og øker strømforbruket. En mer integrert tilnærming til helseovervåking er nødvendig.

Som vist skaper kombinasjonen av lysdioder, fotodetektorer, en ADC-signalbane og tolv tidsbestemte signalbaner levert av ADPD4101 fra Analog Devices, et robust sensorsystem med høy presisjon for kroppsbårent medisinsk utstyr og fritidsutstyr. Med ADPD4101-ens flere lysdiodekanaler og analoge kanaler og overlegne timing-algoritmer, tilbyr enheten en ideell løsning for kroppsbåren SpO₂, hjerte-EKG og måling av hudmotstand.