Cara merancang oksimeter denyut yang lebih baik:Implementasi
Mendesain perangkat medis yang lebih nyaman untuk digunakan dan mengkonsumsi lebih sedikit daya. Artikel ini membahas desain dan implementasi pulse oximeter yang lebih efektif.
Pada artikel pertama dalam seri dua bagian ini, kami membahas spesifikasi teknis oksimeter pulsa. Dalam artikel ini, kami akan membahas pertimbangan desain seperti transmisif vs reflektif, pemosisian sensor, indeks perfusi, artefak gerak, dan spesifikasi desain dengan AFE optik.
Transmissive vs. Reflektif
Sinyal PPG dapat diperoleh dengan menggunakan konfigurasi LED dan PD transmisif atau reflektif. Konfigurasi transmisif mengukur cahaya yang tidak diserap melewati bagian tubuh. Konfigurasi ini paling cocok untuk area seperti jari dan daun telinga di mana pengukuran mendapat manfaat dari kepadatan kapiler lokasi tubuh ini, yang membuat pengukuran lebih stabil, berulang, dan kurang sensitif terhadap variasi penempatan. Konfigurasi transmisif mencapai peningkatan indeks perfusi 40 dB hingga 60 dB.
Konfigurasi PPG reflektif dipilih saat PD dan LED harus ditempatkan bersebelahan untuk kepraktisan, seperti dengan perangkat yang dikenakan di pergelangan tangan atau dada.
Gambar 1. Konfigurasi LED-PD. (Sumber:Perangkat Analog)
Posisi Sensor dan Indeks Perfusi
Pemosisian pada pergelangan tangan dan dada memerlukan rentang dinamis yang lebih besar dalam PPG AFE karena sinyal DC sangat meningkat karena kedalaman arteri di bawah komponen reflektif statis seperti kulit, lemak, dan tulang.
Resolusi yang lebih besar dalam pengukuran PPG akan mengurangi ketidakpastian dalam SpO2 algoritma. Dengan PI khas 1% hingga 2% untuk SpO2 yang dikenakan di pergelangan tangan2 sensor, tujuan desain oksimeter pulsa adalah untuk meningkatkan PI melalui desain mekanis atau untuk meningkatkan rentang dinamis.
Jarak LED ke PD akan berpengaruh besar pada PI. Terlalu sedikit jarak akan meningkatkan LED ke PD crosstalk atau backscatter. Ini akan muncul sebagai sinyal DC dan menjenuhkan AFE.
Meningkatkan jarak ini mengurangi efek hamburan balik dan crosstalk tetapi juga mengurangi rasio transformator arus (CTR), yang merupakan output LED ke arus balik PD. Ini akan memengaruhi efisiensi sistem PPG dan membutuhkan daya LED yang lebih besar untuk memaksimalkan rentang dinamis AFE.
Satu atau beberapa LED yang berdenyut dengan cepat memiliki manfaat mengurangi kontribusi noise 1/f pada sinyal keseluruhan. Menggerakkan LED juga memungkinkan penggunaan modulasi tersinkronisasi di sisi penerima untuk membatalkan pengganggu cahaya sekitar. Mengintegrasikan beberapa pulsa meningkatkan amplitudo sinyal PD dan menurunkan konsumsi arus rata-rata. Meningkatkan total area PD juga meningkatkan CTR karena lebih banyak cahaya reflektif yang ditangkap.
Untuk pengukuran PPG detak jantung, kombinasi satu PD besar dan beberapa LED hijau hemat daya telah diadopsi oleh banyak produsen perangkat HR untuk digunakan di tempat dengan aliran darah terbatas. LED hijau dipilih karena penolakannya yang tinggi terhadap artefak gerak. Namun, ini datang dengan mengorbankan kekuatan. LED hijau memiliki tegangan maju yang lebih tinggi daripada merah dan IR dan absorbansi tinggi dalam jaringan manusia, yang berarti daya LED yang lebih tinggi diperlukan untuk mengembalikan informasi jantung yang berarti.
Sebagai SpO2 memerlukan beberapa panjang gelombang dan sebagian besar sistem masih menggabungkan LED hijau efisiensi tinggi untuk HR PPG, konfigurasi paling umum untuk HR dan SpO2 Sistem PPG adalah rangkaian LED hijau, merah, dan IR tunggal yang dikelilingi oleh beberapa PD, seperti yang terlihat pada arloji ADI VSM pada Gambar 2. Jarak PD ke LED telah dioptimalkan untuk mengurangi hamburan balik dan desain baffle mengurangi crosstalk LED ke PD.
Gambar 2. Jam tangan ADI VSM V4, baffle, dan array DP LED. (Sumber:Perangkat Analog)
Beberapa prototipe jam tangan ADI VSM diuji coba untuk memverifikasi jarak PD ke LED yang paling efisien untuk HR PPG dan SpO2 kami pengukuran.
Artefak Gerak
Artefak gerak memberikan salah satu tantangan desain terbesar untuk sistem pengukuran PPG. Saat ada gerakan, lebar arteri dan vena berubah karena tekanan. Jumlah cahaya yang diserap oleh fotodioda berubah dan ini ada pada sinyal PPG karena foton diserap atau dipantulkan secara berbeda dibandingkan saat benda diam.
Untuk area fotodioda yang lebarnya tak terhingga meliputi sampel jaringan dalam yang panjangnya tak terhingga, semua foton pada akhirnya akan dipantulkan ke fotodioda. Dalam hal ini, tidak ada artefak karena gerakan yang akan terdeteksi. Ini, bagaimanapun, tidak dapat dicapai; solusinya adalah dengan meningkatkan area fotodioda sambil memperhitungkan kapasitansi—menurunkan AFE dan menyediakan pemfilteran untuk artefak gerak.
Frekuensi normal untuk sinyal PPG adalah antara 0,5 Hz sampai 5 Hz sedangkan artefak gerak biasanya antara 0,01 Hz sampai 10 Hz. Teknik penyaringan band-pass sederhana tidak dapat digunakan untuk menghilangkan artefak gerak dari sinyal PPG. Untuk mencapai pembatalan gerakan dengan akurasi tinggi, filter adaptif perlu dilengkapi dengan data gerakan yang sangat akurat. Untuk tujuan ini, Perangkat Analog telah mengembangkan akselerometer 3-sumbu ADXL362. Akselerometer ini menyediakan 1 mg resolusi hingga 8 g jangkauan sementara hanya mengkonsumsi 3,6 W pada 100 Hz dan tersedia dalam paket 3 mm × 3 mm.
AFE Optik
Penempatan oksimeter pulsa menghasilkan beberapa tantangan. SpO yang dikenakan di pergelangan tangan2 perangkat memberikan tantangan desain tambahan karena sinyal AC yang diinginkan hanya 1% hingga 2% dari total cahaya yang diterima pada PD. Untuk mencapai sertifikasi tingkat medis dan membedakan antara sedikit variasi tingkat oksihemoglobin, rentang dinamis yang lebih tinggi pada sinyal AC diperlukan. Hal ini dapat dicapai dengan mengurangi gangguan cahaya sekitar dan mengurangi kebisingan driver LED dan AFE.
Peningkatan rentang dinamis sangat penting untuk mengukur SpO2 di bawah skenario perfusi rendah, dan AFE optik generasi berikutnya seperti Perangkat Analog ADPD4100 (dan ADPD4101) mencapai hingga 100 dB SNR. AFE optik terintegrasi ini memiliki delapan sumber arus noise rendah onboard dan delapan input PD terpisah. Pengontrol waktu digital memiliki 12 slot waktu yang dapat diprogram yang memungkinkan pengguna untuk menentukan larik urutan PD dan LED dengan arus LED tertentu, pemfilteran analog dan digital, opsi integrasi, dan batasan waktu.
Peningkatan SNR/μW merupakan parameter penting untuk pemantauan berkelanjutan bertenaga baterai. Metrik utama ini telah diatasi dengan meningkatkan rentang dinamis AFE sekaligus menurunkan konsumsi arus AFE. ADPD4100, misalnya, memiliki konsumsi daya total hanya 30 W untuk pengukuran PPG kontinu 75 dB, 25 Hz termasuk suplai LED. Peningkatan jumlah pulsa per sampel (n) akan menghasilkan (√n) peningkatan SNR sementara peningkatan arus drive LED akan memiliki peningkatan proporsional dalam SNR. 1 W total konsumsi sistem akan mengembalikan 93 dB SNR untuk pengukuran PPG berkelanjutan menggunakan suplai LED 4 V.
Penolakan cahaya ambient otomatis mengurangi beban pada mikroprosesor host sekaligus mencapai penolakan cahaya 60 dB. Hal ini dicapai dengan menggunakan pulsa LED secepat 1 s dalam hubungannya dengan filter band-pass untuk menolak interferensi. Dalam mode operasi tertentu, ADPD4100 secara otomatis menghitung arus gelap fotodioda atau keadaan mati LED. Hasil ini dikurangi dari LED pada status sebelum konversi di ADC untuk menghilangkan cahaya sekitar serta mendapatkan kesalahan dan drift di dalam fotodioda.
Desain lebih disederhanakan dengan alat pengembangan khusus aplikasi. Misalnya, ADPD4100 didukung dengan kit evaluasi yang dapat dikenakan EVAL-ADPD4100-4101 dan ADI Vital Signs Monitoring Study Watch. Perangkat keras ini terhubung dengan mulus ke aplikasi ADI Wavetool untuk mengaktifkan pengukuran bioimpedansi, EKG, denyut jantung PPG, dan multiwavelength PPG untuk SpO2 perkembangan. Tertanam dalam arloji studi adalah algoritme kontrol penguatan otomatis (AGC) yang menyetel penguatan TIA dan arus LED untuk memberikan rentang dinamis sinyal AC yang optimal untuk semua panjang gelombang LED yang dipilih.
SpO berbasis jari dan daun telinga2 pembacaan adalah yang paling mudah untuk dirancang karena rasio signal-to-noise lebih tinggi daripada penentuan posisi berbasis pergelangan tangan atau dada karena pengurangan tulang dan jaringan, yang juga mengurangi kontribusi komponen DC.
Untuk aplikasi seperti itu, modul sensor optik seperti ADPD144RI dan ujung depan fotometrik seperti ADPD1080 memungkinkan pengembang untuk dengan cepat melewati tantangan desain yang terkait dengan penempatan dan jarak LED dan PD untuk mencapai rasio daya terhadap kebisingan yang optimal. Hal ini dimungkinkan karena sensor optik memiliki LED merah 660 nm terintegrasi, LED IR 880 nm, dan empat PD dalam paket 2,8 mm × 5 mm. Jarak antara LED dan PD telah dioptimalkan untuk memberikan rasio signal-to-noise terbaik untuk SpO2 pengukuran PPG akurasi tinggi. Perangkat ini juga telah dioptimalkan secara mekanis untuk mengurangi crosstalk optik sebanyak mungkin, bahkan saat sensor ditempatkan di bawah satu jendela kaca.
ADPD1080 adalah AFE optik terintegrasi dengan tiga saluran drive LED dan dua saluran input arus PD dalam WMLCSP 17-bola, 2,5 mm × 1,4 mm. AFE ini berfungsi dengan baik untuk produk PPG dengan jumlah saluran rendah desain khusus yang memerlukan ruang papan yang sangat penting.
klik untuk gambar ukuran penuh Gambar 3. Blok diagram ADPD410X. (Sumber:Perangkat Analog)
klik untuk gambar ukuran penuh Gambar 4. ADPD4100 pengukuran PPG merah (kanan) dan IR (kiri) simultan. (Sumber:Perangkat Analog)
Referensi
Toshiyo Tamura. “Kemajuan Photoplethysmography dan SpO2 Saat Ini untuk Pemantauan Kesehatan.” Surat Teknik Biomedis , Februari 2019.
Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken-Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka, dan Takehiro Yamakoshi. “Perbandingan Antara Photoplethysmography Refleksi Cahaya Merah Hijau dan Biru untuk Pemantauan Denyut Jantung Selama Gerak.” 2013 3 5 Konferensi Internasional Tahunan IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) , Juli 2013.
Robert Finnerty adalah seorang insinyur aplikasi sistem di Analog Devices di mana dia bekerja di Digital Healthcare Group yang berbasis di Limerick, Irlandia. Dia bekerja sama dengan Vital Signs Monitoring Group, dengan fokus pada solusi pengukuran optik dan impedansi. Rob bergabung dengan grup konverter presisi dalam ADI pada tahun 2012 dan berfokus pada pengukuran presisi bandwidth rendah. Beliau meraih gelar sarjana di bidang teknik elektronik dan listrik (B.E.E.E) dari National University of Ireland Galway (NUIG). Dia dapat dihubungi di [email protected].
Konten Terkait:
Cara merancang oksimeter denyut yang lebih baik:Spesifikasi
Perangkat tanpa manset memberikan pengukuran tekanan darah yang akurat secara klinis
Menggunakan radar mmWave untuk pemantauan tanda-tanda vital
Kit desain mengukur tekanan darah dengan sensor optik
Sensor khusus mendukung perangkat kesehatan yang dapat dikenakan
Saat akurasi penting:Menilai teknologi untuk perangkat jarak sosial yang dapat dikenakan
Untuk lebih banyak Tertanam, berlangganan buletin email mingguan Tersemat.
Robert Finnerty adalah seorang insinyur aplikasi sistem di Analog Devices di mana dia bekerja di Digital Healthcare Group yang berbasis di Limerick, Irlandia. Dia bekerja sama dengan Vital Signs Monitoring Group, dengan fokus pada solusi pengukuran optik dan impedansi. Rob bergabung dengan grup konverter presisi dalam ADI pada tahun 2012 dan berfokus pada pengukuran presisi bandwidth rendah. Beliau meraih gelar sarjana di bidang teknik elektronik dan listrik (B.E.E.E) dari National University of Ireland Galway (NUIG). Dia dapat dihubungi di