PPG de nivel clinic pentru dispozitivul vostru purtabil

Frecvența cardiacă (HR – Heart Rate) și saturația de oxigen din sânge (SpO₂ – Blood Oxygen Saturation) trec rapid de la faza de “dorit” la cea de “așteptat” în lista de caracteristici disponibile ale dispozitivelor purtabile pentru sănătate și fitness. O consecință a acestei tranziții o constituie reducerea calității citirilor, generată de faptul că unii producători de senzori, care, în graba de a satisface solicitările pieței pentru aceste caracteristici, prezintă informații discutabile cu privire la acuratețea produselor lor.

Figura 1: Măsurarea HR și SpO₂ cu ajutorul unui dispozitiv purtat la încheietura mâinii. ▶

În timp ce precizia citirilor poate să nu fie critică în cazul dispozitivelor purtabile de zi cu zi, calitatea și integritatea măsurătorilor trebuie să fie de necontestat în cazul dispozitivelor purtabile de nivel clinic. O provocare cheie pentru proiectanți este cum să realizeze măsurători de înaltă calitate ale HR și SpO₂ într-un mod care să nu consume foarte mult din bateria dispozitivului. În această soluție de proiectare, explicăm de ce în abordarea convențională a citirilor optice se pierde putere și apoi prezentăm un circuit integrat care utilizează o arhitectură nouă pentru a reduce substanțial consumul de putere, efectuând în același timp măsurători de nivel clinic.

Fotopletismografie (PPG)

HR și SpO₂ sunt măsurate cu ajutorul unei tehnici optice numite fotopletismografie sau PPG (figura 1). Un semnal PPG se obține prin iluminarea pielii cu ajutorul unei diode emițătoare de lumină (LED) și prin detectarea modificărilor de intensitate a luminii reflectate de vasele de sânge aflate sub piele (figura 2) cu ajutorul unei fotodiode (PD) care generează un curent proporțional cu cantitatea de lumină primită.

Figura 2: Măsurarea PPG utilizând un LED și o fotodiodă (PD).

Semnalul de curent este condiționat de un circuit AFE (analog front end) PPG înainte de a fi convertit de un convertor ADC pentru a fi procesat de un algoritm optic, care rulează pe microcontrolerul sistemului. În principiu, o singură pereche LED-PD este suficientă pentru a efectua o măsurătoare PPG, iar această arhitectură este comună în echipamentele utilizate în mediul clinic (figura 3).

Totuși, aceste dispozitive funcționează în condiții foarte diferite de cele întâlnite în viața de zi cu zi. În primul rând, pacientul este relativ imobilizat, iar măsurarea se realizează cu ajutorul unui senzor care este fixat în siguranță pe vârful unui deget. Condițiile de iluminare sunt relativ constante, ceea ce simplifică detectarea luminii pentru PD, iar consumul de energie nu reprezintă o preocupare, deoarece aceste dispozitive sunt de obicei alimentate de la rețea.

Figura 3: Măsurarea SpO2 și a HR într-un cadru clinic.

În schimb, pentru un dispozitiv purtat la încheietura mâinii, contactul cu suprafața pielii variază, în funcție de preferințele personale (strângerea curelei) și de mișcarea utilizatorului. Condițiile de iluminare pot varia considerabil în funcție de locație și de momentul zilei și, deoarece aceste dispozitive sunt alimentate de la baterii, este important să se asigure un consum de curent al senzorului cât mai redus posibil. Acest lucru este și mai dificil din cauza diversității tonurilor de piele ale diferiților utilizatori. Pielea mai închisă la culoare este descrisă ca având un indice de perfuzie mai mic decât pielea mai deschisă, adică necesită o iluminare mai mare (ceea ce presupune ca un senzor să consume mai multă putere) pentru a putea efectua măsurători. În continuare, analizăm avantajele diferitelor arhitecturi AFE care pot fi utilizate pentru efectuarea măsurătorilor PPG.

AFE PPG cu un singur canal ADC

Creșterea curentului prin LED sau utilizarea a două LED-uri este o modalitate intuitivă de a obține un grad mai mare de iluminare a pielii (figura 4), deoarece poate ilumina o suprafață mai mare de piele. Cu toate acestea, abordarea este una care consumă multă putere, deoarece curentul prin LED reprezintă cel puțin 50% din puterea consumată într-un sistem PPG care, în funcție de indicele de perfuzie a pielii utilizatorului, poate fi, în medie, de până la 1 mW. În general, această abordare este ineficientă și dăunătoare pentru durata de viață a bateriei.

Figura 4: Utilizarea a două LED-uri pentru a obține o mai bună iluminare a pielii.

Figura 5: Utilizarea unui singur LED cu două PD-uri pentru o mai bună detectare a luminii.

PPG AFE cu două canale ADC

O modalitate mai bună de a crește iluminarea pielii este utilizarea unui singur LED cu două PD-uri care pot fi utilizate pentru a detecta o cantitate mai mare de lumină reflectată (figura 5).

Figura 6: PPG utilizând un LED și patru PD-uri.

Avantajul este că, în acest caz, curentul standard de 20 mA al LED-ului poate fi redus la 10 mA pentru a obține același nivel al curentului total prin PD-uri în comparație cu utilizarea unui singur PD. În condiții de funcționare dificile (perfuzie scăzută a pielii și/sau atunci când posesorul este în mișcare), în care algoritmul sistemului determină că este necesar un curent prin LED mai mare, poate fi obținută o creștere proporțională a sensibilității sistemului. De exemplu, aplicarea aceluiași curent prin LED ca în aranjamentul anterior oferă o creștere de 100% a curentului prin PD-uri, asigurând astfel o sensibilitate generală mai mare, deși cu prețul unui consum de putere mai mare.

PPG AFE cu patru canale ADC

Utilizarea a patru PD-uri (care necesită un ADC cu patru canale) pentru a detecta lumina reflectată economisește și mai multă putere (figura 6), deoarece LED-ul poate fi operat cu o putere mult mai mică (vezi tabelul 1).

Tabelul 1 rezumă consumul relativ de putere al fiecăreia dintre arhitecturile luate în considerare anterior, presupunând o tensiune de alimentare tipică de 1,6 V.

Figura 7: Citirile HR utilizând două perechi de PD-uri independente.

Această arhitectură oferă citiri de mai bună calitate, deoarece vasele de sânge și oasele sunt distribuite asimetric în încheietura mâinii, iar patru PD-uri ajută la atenuarea efectelor mișcării și a modului în care utilizatorul își prinde dispozitivul. De asemenea, patru receptoare PD cresc probabilitatea de a detecta lumina reflectată de vasele de sânge iluminate. Graficul din figura 7 prezintă HR măsurată cu ajutorul a patru fotodiode (configurate ca două perechi independente: LEDC1 și LEDC2) în raport cu o măsurătoare de referință (polar). Dispozitivul purtabil trebuie să asigure menținerea unui bun contact cu pielea în timpul efectuării acestei măsurători. Inițial, persoana care poartă dispozitivul se află în repaus, apoi, după 5 minute (300 de secunde), începe să facă exerciții fizice, ceea ce determină creșterea HR. Este clar că semnalele de pe LEDC1 și LEDC2 diferă față de măsurarea de referință, iar beneficiul utilizării a două perechi de PD-uri pentru a capta și combina toate aceste deviații este evident.

Figura 8: Diagrama bloc a unui AFE optic cu patru canale MAX86177.

Soluție practică Quad ADC

MAX86177 (figura 8) este un sistem optic de achiziție de date cu patru canale de foarte mică putere, cu canale de transmisie și recepție, ideal pentru utilizarea în dispozitive portabile și purtabile de calitate clinică (precum și de uz general). Pe partea de emisie, acesta are două drivere de LED-uri programabile pe 8-biți de mare curent, care suportă până la șase LED-uri. Pe partea de recepție, acesta are patru front-end-uri de integrare a sarcinii cu zgomot redus, care includ fiecare ADC-uri independente pe 20-biți ce pot multiplexa semnalele de intrare de la opt PD-uri (configurate ca patru perechi independente). Acesta atinge o gamă dinamică de 118 dB și oferă o anulare a luminii ambientale (ALC – Ambient light cancellation) de până la 90 dB, la 120 Hz. Funcționează la o tensiune de alimentare principală de 1,8V cu o tensiune de alimentare a driverului de LED între 3,1V și 5,5V. Dispozitivul oferă suport complet autonom pentru interfețele compatibile I2C și SPI. MAX86177 este disponibil într-o capsulă WLP (wafer-level package) de 7 × 4, cu 28-bile, cu dimensiuni de 2,83 mm × 1,89 mm și care funcționează în intervalul de temperatură de la -40ºC la +85ºC. Mostrele testate în laborator ale acestui AFE au prezentat o eroare medie pătratică globală pentru măsurarea hipoxiei de 3,12%, cu mult în interiorul limitei de 3,5% stabilită de FDA pentru dispozitivele de nivel clinic.

Concluzie

Tabelul 1: Compararea consumului tipic de putere pentru arhitecturile ADC cu 1, 2 și 4 canale

O mare bătaie de cap pentru proiectanții de dispozitive portabile de calitate clinică este cum să efectueze măsurători optice PPG ale HR și SpO₂ fără a afecta semnificativ durata de viață a bateriei dispozitivului. În această soluție de proiectare, am evidențiat că o arhitectură ADC cu patru canale poate oferi economii de putere de până la 60% în comparație cu arhitectura de bază, care utilizează un singur LED și o singură fotodiodă (PD). Arhitectura cu patru canale a MAX86177 într-o capsulă cu factor de formă mic este ideală pentru utilizarea în dispozitive ce pot fi purtate la deget, la încheietura mâinii și la ureche pentru a măsura HR și SpO₂ de nivel clinic. De asemenea, acesta poate fi utilizat pentru a măsura hidratarea corpului, saturația oxigenului în mușchi și țesuturi (SmO₂ și StO₂) și consumul maxim de oxigen (VO₂ Max).

Autor: Andrew Burt

Despre autor

Andrew Burt este manager executiv al departamentului ‘Digital Healthcare’ al Analog Devices. El se axează pe dezvoltarea afacerilor pentru produsele de sănătate ale companiei, care includ senzori, AFE-uri, module optice și algoritmi. Andrew contribuie, de asemenea, la definirea noilor senzori care vor face parte din viitoarele soluții de gestionare a stării de bine și a bolilor. A studiat ingineria electrică și electronică la Universitatea Oxford Brookes. Poate fi contactat la andrew.burt@analog.com.

Analog Devices