Merancang perangkat medis yang ramah pengguna dan hemat daya adalah kritis saat ini. Artikel ini merinci langkah praktis dan pertimbangan desain untuk membangun oximeter nadi generasi berikutnya.
Artikel sebelumnya menjelaskan spesifikasi oximeter nadi; di sini kami menyelami pilihan kunci desain—konfigurasi transmisif versus reflektif, penempatan sensor optimal, optimisasi indeksi perfusi, pengurangan artefak gerakan, dan nuansa integrasi front-end analog optik.
Transmisif vs. Reflektif
Sinyal fotopletismografi (PPG) dapat ditangkap menggunakan konfigurasi LED–PD transmisif atau reflektif. Dalam pengaturan transmisif, cahaya yang tidak terserap melewati bagian tubuh, menjadikannya ideal untuk situs dengan densitas kapiler tinggi seperti jari atau telinga. Pengaturan ini menawarkan peningkatan indeksi perfusi (PI) sebesar 40 dB–60 dB dan memberikan bacaan yang lebih stabil, dapat diulang, dan kurang terpengaruh oleh perubahan penempatan kecil.
Konfigurasi PPG reflektif dipilih ketika fotodioda (PD) dan LED harus berada berdampingan, seperti dalam wearable terpasang di pergelangan tangan atau dada. Konfigurasi ini masih dapat memberikan data yang akurat jika jalur optik dan filtering dikelola dengan hati-hati.
Gambar 1. Konfigurasi LED-PD. (Sumber: Analog Devices)
Posisi Sensor dan Indeks Perfusi
Saat sensor ditempatkan di pergelangan tangan atau dada, front-end analog (AFE) PPG harus menampangi rentang dinamis yang lebih besar karena komponen DC sinyal diperkuat oleh arteri yang lebih dalam, jaringan subkutan, kulit, dan tulang. PI yang lebih tinggi—biasanya 1% hingga 2% untuk perangkat SpO2 yang dipasang di pergelangan tangan—memerlukan optimisasi mekanis atau rentang AFE yang lebih lebar untuk mengurangi ketidakpastian algoritma.
Jarak LED-ke-PD sangat mempengaruhi PI. Jarak terlalu dekat meningkatkan crosstalk atau backscatter, menambahkan DC yang tidak diinginkan dan potensialmente menyaturasi AFE. Jarak yang lebih besar mengurangi efek ini tetapi menurunkan rasio transformer arus (CTR), yang dapat mengurangi efisiensi sinyal dan membutuhkan arus drive LED yang lebih tinggi.
Memantulkan LED dengan cepat—baik secara tunggal atau dalam ledakan multi-LED—mengurangi kebisingan 1/f dan memungkinkan modulasi sinkron pada penerima, secara efektif membatalkan interferensi cahaya sekitar. Mengintegrasikan beberapa pulsa meningkatkan amplitudo sinyal PD sambil menjaga konsumsi daya rata-rata rendah. Memperluas area PD juga meningkatkan CTR dengan menangkap lebih banyak cahaya yang dipantulkan.
PPG detak jantung (HR) sering menggunakan satu PD besar yang dipadukan dengan beberapa LED hijau daya rendah. LED hijau menawarkan penolakan artefak gerakan yang lebih baik tetapi membutuhkan tegangan maju dan daya drive yang lebih tinggi daripada LED merah atau IR. Sebagian besar sistem SpO2, yang membutuhkan beberapa panjang gelombang, therefore mengadopsi array LED hijau-merah-IR yang dikelilingi oleh beberapa PD. VSM watch Analog Devices (Gambar 2) exemplifikasi pendekatan ini, dengan jarak LED-PD yang dioptimalkan dan desain baffle yang mengurangi backscatter dan crosstalk.
Gambar 2. VSM watch V4 ADI, baffle, dan array LED-PD. (Sumber: Analog Devices)
Banyak prototipe VSM watch ADI dievaluasi untuk menentukan jarak LED-PD yang paling efisien untuk pengukuran HR dan SpO2 gabungan.
Artefak Gerakan
Gerakan adalah salah satu tantangan paling formidabel dalam pengukuran PPG. Gerakan mengubah lebar dan tekanan vessel, mengubah jumlah cahaya yang terserap oleh PD. Dalam skenario ideal—PD yang tak hingga yang mencakup kedalaman jaringan tak hingga—tidak akan ada artefak gerakan. Praktis, meningkatkan area PD dan menggunakan filtering yang hati-hati mengurangi dampak artefak, tetapi AFE juga harus mempertahankan kapasitansi rendah untuk menjaga bandwidth.
Frekuensi PPG tipis berkisar dari 0,5 Hz hingga 5 Hz, sedangkan artefak gerakan berkisar dari 0,01 Hz hingga 10 Hz. Filtering band-pass konvensional tidak dapat mengisolasi komponen yang tumpang tindih ini; melainkan, filter adaptif yang mengambil data gerakan resolusi tinggi diperlukan. Akselerometer 3-sumbu ADXL362 Analog Devices, menawarkan resolusi 1 mg pada rentang 8 g sambil menarik hanya 3,6 µW pada 100 Hz, menyediakan metrik gerakan yang diperlukan dalam paket 3 mm × 3 mm.
AFE Optik
Perangkat SpO2 yang dipasang di pergelangan tangan menghadapi tantangan unik: sinyal AC yang diinginkan hanya 1%–2% dari total cahaya yang diterima oleh PD. Mencapai akurasi grade medis di bawah kondisi ini membutuhkan AFE rentang dinamis tinggi yang meminimalkan intrusi cahaya sekitar dan mengurangi kebisingan driver LED dan AFE.
AFE optik generasi berikutnya seperti ADPD4100 Analog Devices (dan ADPD4101) menyediakan hingga 100 dB SNR. Front-end terintegrasi ini menyelenggarakan delapan sumber arus low-noise dan delapan input PD terpisah. Pengontrol timing digitalnya menawarkan 12 slot terprogram, yang memungkinkan pengembang untuk menyesuaikan arus LED, filtering analog dan digital, waktu integrasi, dan parameter lainnya.
Mengoptimalkan SNR per mikrowatt (µW) adalah krusial untuk pemantauan kontinu berbasis baterai. ADPD4100 dapat mencapai 75 dB SNR pada 25 Hz sambil mengonsumsi hanya 30 µW—termasuk suplai LED—selama akuisisi PPG kontinu. Meningkatkan jumlah pulsa per sampel meningkatkan SNR dengan √n, dan meningkatkan arus drive LED menyesuaikan SNR proporsional. Total daya sistem 1 µW dapat mencapai 93 dB SNR saat dipasang oleh suplai LED 4 V.
Penolakan cahaya sekitar otomatis menyederhanakan tanggung jawab mikrokontroler host, menyediakan isolasi cahaya 60 dB melalui pulsa LED 1 µs dan filter band-pass. ADPD4100 juga dapat menghitung arus gelap PD (kondisi LED mati) dan menguranginya dari pengukuran kondisi menyala, menghilangkan cahaya sekitar, error gain, dan drift.
Pengembangan dipermudah oleh alat seperti kit evaluasi wearable EVAL-ADPD4100-4101 dan ADI Vital Signs Monitoring Study Watch. Platform-platform ini terintegrasi dengan mulus dengan aplikasi ADI WaveTool, memungkinkan pengukuran bioimpedansi, ECG, PPG detak jantung, dan SpO2 multi-panjang gelombang. Algoritma kontrol gain otomatis (AGC) tertanam secara dinamis menyesuaikan gain amplifier impedansi trans (TIA) dan arus LED untuk mempertahankan rentang dinamis AC yang optimal di seluruh panjang gelombang.
Pengukuran SpO2 jari dan telinga secara alami lebih mudah dirancang untuk, karena SNR yang lebih tinggi dari ketebalan tulang dan jaringan yang lebih tipis mengurangi komponen DC dan meningkatkan akurasi.
Untuk aplikasi tersebut, modul sensor seperti ADPD144RI dan front-end seperti ADPD1080 memungkinkan prototipasi cepat. ADPD144RI menyelenggarakan LED merah 660 nm, LED IR 880 nm, dan empat PD dalam paket 2,8 mm × 5 mm, dengan jarak yang dioptimalkan untuk SNR maksimum. ADPD1080 adalah AFE terintegrasi dengan tiga driver LED dan dua input PD dalam paket WLLCSP 2,5 mm × 1,4 mm, ideal untuk desain kompak dan jumlah channel rendah.
Gambar 3. Diagram blok ADPD410X. (Sumber: Analog Devices)
Gambar 4. Pengukuran PPG merah (kanan) dan IR (kiri) ADPD4100 secara bersamaan. (Sumber: Analog Devices)
Referensi
Toshiyo Tamura. “Current Progress of Photoplethysmography and SpO2 for Health Monitoring.” Biomedical Engineering Letters, Februari 2019.
Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken‑Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka, dan Takehiro Yamakoshi. “Comparison Between Red, Green and Blue Light Reflection Photoplethysmography for Heart Rate Monitoring During Motion.” 2013 5th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Juli 2013.
Robert Finnerty adalah insinyur aplikasi sistem di Analog Devices tempat ia bekerja di Digital Healthcare Group berbasis di Limerick, Irlandia. Ia bekerjasama erat dengan Vital Signs Monitoring Group, berfokus pada solusi pengukuran optik dan impedansi. Rob bergabung dengan grup konverter presisi dalam ADI pada 2012 dan telah spesialisasi dalam pengukuran presisi bandwidth rendah. Ia memiliki gelar sarjana teknik elektronik dan listrik (B.E.E.E) dari National University of Ireland Galway (NUIG). Ia dapat dihubungi di rob.finnerty@analog.com.
Konten Terkait:
How to design a better pulse oximeter: Specifications
Cuffless device delivers clinically accurate blood pressure measurements
Using mmWave radar for vital signs monitoring
Design kit measures blood pressure with optical sensor
Specialized sensors support healthcare wearables
When accuracy matters: Assessing technologies for a social distancing wearable
Untuk lebih banyak Embedded, berlangganan newsletter email mingguan Embedded.
Robert Finnerty adalah insinyur aplikasi sistem di Analog Devices tempat ia bekerja di Digital Healthcare Group berbasis di Limerick, Irlandia. Ia bekerjasama erat dengan Vital Signs Monitoring Group, berfokus pada solusi pengukuran optik dan impedansi. Rob bergabung dengan grup konverter presisi dalam ADI pada 2012 dan telah spesialisasi dalam pengukuran presisi bandwidth rendah. Ia memiliki gelar sarjana teknik elektronik dan listrik (B.E.E.E) dari National University of Ireland Galway (NUIG). Ia dapat dihubungi di rob.finnerty@analog.com.