Onderhandel snel over draagbare optische signaalpaden met een multiparameter-monitor

Draagbare gezondheids- en fitnessmonitors maken gebruik van diverse technieken om een breed spectrum van bewegings-, algemene gezondheids- en slaapinformatie te verzamelen. Voor ontwerpers is het probleem uit te vinden hoe kan worden voldaan aan de vraag van eindgebruikers naar meer functionaliteit in deze draagbare monitoren voor pulsoximetrie (SpO2), fotoplethysmografie (PPG), elektrocardiogram (ECG), bloeddruk- en ademhalingsfrequentiemeting. Elke extra functie maakt de uitdagingen voor ontwerpers op het gebied van integratie, energiebeheer, prestaties, gewicht, ontwikkelingstijd en kosten alleen maar groter.

SpO₂-oplossingen vereisen bijvoorbeeld doorgaans gecompliceerde elektronica met meerdere geïntegreerde schakelingen (IC's) die een optisch pad door het lichaam creëren met behulp van lichtgevende dioden (LED's), fotosensoren, transimpedantieversterkers (TIA), analoog/digitaal-convertos (ADC's), en bijbehorende algoritmen. ECG's vereisen een gevoelige, ruisarme analoge schakeling met een instrumentatieversterker aan de voorzijde en een ADC. Deze discrete systemen maken ook gebruik van extra hardware om de effecten van omgevingslicht te beperken en elektromagnetische interferentie (EMI) te beheersen. Hoewel deze oplossingen werken, vereisen zij veel ruimte op printplaten en aangepaste firmware, waardoor de kosten stijgen en de ontwikkelingstijd langer wordt. Wat nodig is, is een meer complete en geïntegreerde oplossing die veel van deze ontwerpproblemen oplost.

Dit artikel beschrijft draagbare fysische entiteiten en een multiparameter-monitor bestaande uit LED-drivers, TIA's, een bandpass-filter, een integrator en een ADC. Het artikel laat zien hoe een multiparameter-monitor(Analog Devices' ADPD4101) en bijbehorende ontwikkelborden kunnen worden gebruikt om het ontwerpproces te vereenvoudigen en te versnellen.

Analoog front-end overzicht

Het monitoren van vitale signalen reikt verder dan de grenzen van de medische praktijk en komt ook in het dagelijks leven voor. Aanvankelijk stond de bewaking van de vitale functies onder streng medisch toezicht in ziekenhuizen en klinieken. Dankzij de vooruitgang op het gebied van micro-elektronische processen en ontwerpen kunnen de kosten van draagbare monitors worden verlaagd, waardoor bewaking van telegeneeskunde, sport en fitness mogelijk wordt. Met deze uitbreiding naar draagbare toestellen blijven de kwaliteitsnormen op gezondheidsgebied voldoen aan de hoge verwachtingen van de gebruiker.

Bewaking van de vitale functies houdt in dat een reeks fysiologische parameters wordt gemeten die de gezondheid van een persoon kunnen aangeven. Zo detecteert een SpO₂-meting het zuurstofgehalte van het bloed en de hartslag. De geschikte sensors voor SpO₂-draagbare apparaten zijn LED's en fotodiodes.

ECG- en bioimpedantiemetingen bepalen de hartslag, de ademhaling, de bloeddruk, de huidgeleiding en de lichaamssamenstelling. De oplossingen voor deze vitale signalen moeten compact, energie-efficiënt en betrouwbaar zijn. Om deze kritieke tekenen te controleren zijn optische, biopotentiaal- en impedantiemetingen nodig.

Optische vitale signaalpaden

SpO₂ meet het percentage zuurstofverzadiging in het bloed en andere vitale functies. Voor de meting van de zuurstofconcentratie in het bloed wordt gebruik gemaakt van een SpO₂-techniek waarbij de lichttransmissie van de LED door het vlees bij verschillende optische frequenties wordt geëvalueerd. De SpO₂-test kan een slechte oxygenatie vaststellen, wat wijst op het begin van ziekten of aandoeningen die het ademhalingssysteem aantasten. De gegevens van de SpO₂-meting kunnen ook een schatting geven van de werkelijke arteriële O₂-verzadiging en de bloedzuurstofconcentratie (S_aO₂).

Voor het verrichten van een SpO₂-meting is voor het optische systeem een toolbox met verschillende LED's en fotodetectors nodig. De typische signaalketen voor optische metingen heeft LED's die verschillende golflengtes genereren waarmee het relatieve zuurstofgehalte in het bloed globaal kan worden bepaald. Een reeks silicium fotodiodes zet het ontvangen optische signaal van de LED om in een fotostroom. De versterking en ADC-omzetting van de stroom van de fotodiode levert de vereiste resolutie en nauwkeurigheid (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De signaalketen voor de SpO₂-test begint met LED-lichtsignalen door het vlees van de patiënt. Een fotodiode registreert de door het vlees uitgezonden signalen en zet het LED-licht om in een pico-ampère (pA) stroomsignaal. Een TIA zet die stroom om in een spanning en stuurt die naar een ADC. (Afbeelding bron: Analog Devices, bewerkt door Bonnie Baker)

De SpO₂-test maakt gebruik van infrarood-LED's (IR) met een golflengte van 940 nanometer (nm) en rode LED's met een golflengte van 660 nm. Met de IR-golflengte van 940 nm absorbeert zuurstofhoudend hemoglobine meer van het IR-licht. Desoxygeen hemoglobine absorbeert meer van het 660 nm rode golflengte licht. De fotodiode ontvangt het niet-geabsorbeerde licht onafhankelijk van beide LED's. Deze LED's zenden echter niet tegelijkertijd licht uit. Er is een pulsvolgorde voor de LED's om ervoor te zorgen dat overbruggingsfouten verwaarloosbaar zijn (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De timing van de SpO₂-apparatuur van de 660 nm rode LED (Pulse_RED) en de IR LED (Pulse_IR) zorgt ervoor dat geen van beide LED-lichtsignalen overlapt. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

De waargenomen signalen van de LED's creëren AC- en DC-componenten. De AC-component vertegenwoordigt het pulserende karakter van arterieel bloed. De DC-component is een constante die de lichtabsorptie ten gevolge van het weefsel, het veneuze bloed en het niet-aangetaste arteriële bloed weergeeft. Deze component is het slagaderlijk niet-tijdvariërende deel, dat optreedt tijdens de rustfase van het hart. Vergelijking 1 toont de berekening van het SpO₂-percentage:

Vergelijking 1

De discrete SpO₂-meetschakelingen bestaan uit zes kritische systemen: LED-driverversterkers, TIA's, analoge versterkingstrap, ADC, digitaal-naar-analoog-convertor (DAC) om de LED-driverversterker aan te sturen en een analoge spanningsreferentie voor de ADC en DAC.

De LED-driverversterkers moeten tussen de twee kanalen heen en weer schakelen om te voorkomen dat de rode en IR-verlichting in elkaar overlopen. De TIA neemt de stroom van de fotodiode en zet deze om in een spanningsuitgang. Een versterkingsversterker verhoogt de signaalgrootte als voorbereiding op het ADC-ingangsbereik aan de spanningsuitgang van de TIA. Na de versterker digitaliseert een ADC het signaal en zendt het naar een microcontroller of DSP. Tenslotte heeft de gehele signaalketen een analoge spanningsreferentie nodig.

Biopotentiaal- en bioimpedantiemetingen

Een biopotentiaal is een elektrisch signaal ten gevolge van de elektrochemische activiteit van het lichaam. Een biopotentiaalmeting kan bijvoorbeeld een ECG zijn. De amplitude van een uitzonderlijk laag hartslagsignaal bedraagt 0,5 millivolt (mV) tot 4 mV en heeft een frequentiebereik van 0,05 Hertz (Hz) tot 40 Hz.

In het ziekenhuis of in de dokterspraktijk controleert de arts de hartactiviteit door elektroden op de huid aan te brengen. Natte elektroden zorgen voor een goed contact met het lichaam, meestal zilver/zilver-chloride (Ag/AgCl)-elektroden. Mensen die draagbare toepassingen gebruiken, ervaren dat deze elektroden uiterst oncomfortabel zijn en gemakkelijk uitdrogen of de huid gaan irriteren.

Bij wijze van alternatief accumuleert het draagbare ECG-circuit een elektrische lading op een detectiecondensator. Met een geoptimaliseerde tijdconstante, berekend uit het passieve weerstand-condensator (RC) netwerk, elimineert het oplaadproces de variatie op de huid-elektrode contact impedantie. In Afbeelding 3 wordt het ECG-signaal gekoppeld aan een RC-netwerk en TIA1. Dit ECG-circuit is ongevoelig voor variaties in de impedantie van het contact tussen de huid en de elektrode.

Afbeelding 3: De ECG+ en ECG- pads zijn droge aansluitingen op de patiënt. Deze pads geven de verandering in huidlading door aan het RC-netwerk. De BIO-Z1 en BIO-Z2 zijn verbonden via een huidweerstand (_RBIO-Z), en gebruiken de TIA2 om de verandering in huidweerstand parallel met R_BIO-Z te meten. (Bron afbeelding Analog Devices, bewerkt door Bonnie Baker)

Bioimpedantie is een andere meting die nuttige fysische informatie oplevert. Impedantiemetingen geven informatie over de elektrodermale activiteit met betrekking tot de samenstelling van het lichaam en het niveau van hydratatie. Het tweede detectiecircuit in Afbeelding 3 meet de huidweerstand door een padweerstand, R_BIO-Z, parallel aan de huidweerstand te gebruiken. Voor deze test is geen LED-signaal nodig. De huidweerstand is ongeveer oneindig, tenzij de patiënt vocht of zweet onder het kompres genereert. De opwekking van lichaamszweet vermindert de parallelle huidweerstand, waardoor de stroom naar de inverterende ingang van de TIA2 toeneemt.

De draagbare gezondheids-fitnessmonitor biedt een unieke combinatie van fysiologische sensoruitdagingen. Elke bijkomende eis verhoogt de complexiteit van de schakeling en de ruimte op de printplaat. Naarmate het aantal opties voor gezondheids- en fitnessmonitors toeneemt, neemt ook de behoefte aan een sterk geïntegreerde, complexe en compacte IC toe.

De geïntegreerde multimodale sensor

De ADPD4100 en ADPD4101 IC's zijn complete multimodale sensor front-ends die tot acht LED's stimuleren en de retoursignalen meten met tot acht afzonderlijke stroomingangen. Twaalf timeslots zijn beschikbaar, waardoor twaalf onafhankelijke metingen per bemonsteringsperiode mogelijk zijn. De analoge ingangen kunnen zowel single-ended als in differentiële paren worden aangestuurd. De acht analoge ingangen worden gemultiplexed tot één kanaal of twee onafhankelijke kanalen, zodat gelijktijdige bemonstering van twee sensoren mogelijk is. Het enige verschil tussen deze twee producten is dat de ADPD4100 een SPI-interface heeft en de ADPD4101 een I²C-interface (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Het functionele blokschema van de ADPD4100 en ADPD4101 illustreert de uitgangskanalen van de LED-aandrijving en de analoge ingangskanalen. De ingangskanalen ontvangen fotodiode- of capacitieve stroomsignalen voor conversie door de ADC. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 4 heeft de digitale verwerkingstiming twaalf tijdsloten ter beschikking, waardoor twaalf afzonderlijke metingen per bemonsteringsperiode mogelijk zijn. Samen met externe LED's en fotodiodes, helpt de flexibele architectuur van de ADPD4100/ADPD4101 ontwerpers om te voldoen aan hun draagbare meetbehoeften door biopotentiaal- en bioimpedantiegegevens te verzamelen. De ADPD4100 heeft een complete analoge module met een digitale SPI interface. De digitale interface van de ADPD4101 is I²C.

De analoge signaalpaden van de ADPD4100/ADPD4101 bestaan uit acht stroomingangen die kunnen worden geconfigureerd als enkelvoudige of differentiële paren in een van de twee onafhankelijke kanalen (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Het blokschema van het analoge signaalpad heeft acht analoge ingangsklemmen en twee TIA's. Het bandpassfilter (BPF) gaat vooraf aan de integrator die helpt bij het verhogen van de resolutie van de ADC. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In Afbeelding 5 is de mogelijkheid van gelijktijdige bemonstering van twee sensors beschikbaar met de twee TIA-kanalen. Elk kanaal heeft toegang tot een TIA met programmeerbare versterking (R_F), een banddoorlaatfilter (BPF) met een high-pass hoek op 100 kilohertz (kHz), een low-pass afsnijfrequentie van 390 kHz, en een integrator die ±7,5 picocoulombs (pC) per monster kan integreren. Elk kanaal is tijdmultiplexed in een 14-bit ADC. In Afbeelding 5 is R_INT de serieweerstand aan de ingang van de integrator.

De ADPD4100/ADPD4101 biedt een oplossing voor veel uitdagingen waarmee ontwerpers worden geconfronteerd wanneer ze aan draagbare apparaten werken. Het biomedische front-end voldoet aan alle eisen met zijn krachtige, tweekanaals sensorinputtrap, stimululankanalen, digitale verwerkingsengine en timingregeling. Deze multimodale sensor front-end generatie heeft verbeterde signaal-ruisspecificaties van 100 decibel (dB), en een lager stroomverbruik (30 microwatt (µW)) voor het gehele systeem.

ADPD4101-evaluatiebord

Het EVAL-ADPD4100Z-PPG-evaluatiebord (Afbeelding 6) is waardevol voor ontwerpers die de ADPD4100/ADPD4101 fotometrisch front-end overwegen. Het bord implementeert een eenvoudig discreet optisch ontwerp voor toepassingen voor de bewaking van vitale functies, in het bijzonder polsgebaseerde PPG.

Afbeelding 6: Het EVAL-ADPD4100Z-PPG-bord helpt bij de evaluatie van de ADPD4100/ADPD4101 voor op de pols gebaseerde PPG-ontwerpen. De optische elementen (rechts) bestaan uit drie groene, één IR en één rode LED, alsmede een fotodiode. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De EVAL-ADPD4100Z-PPG heeft drie groene, één IR, en één rode LED, alle afzonderlijk aangestuurd. Er is ook een enkele fotodiode ingebouwd, waardoor dit evaluatiebord klaar is voor onmiddellijk gebruik.

Een ADPD4101-referentieontwerp

Een handig hulpmiddel voor het aansluiten van sensors op de ADPD4101 is het EVAL-CN0503-ARDZ-referentieontwerp. Dit referentieontwerp heeft niet specifiek betrekking op draagbare monitors, maar is nuttig om te zien hoe de gebruikershandleiding van de CN0503 illustreert dat de EVAL-CN0503-ARDZ de ADPD4101 gebruikt om troebelheid, pH, chemische samenstelling en andere fysische eigenschappen te detecteren. Het EVAL-CN0503-ARDZ-referentieontwerp is een herconfigureerbaar, multiparameter optisch vloeistofplatform dat colorimetrie- en fluorometriemetingen kan uitvoeren (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Vereenvoudigd schema van het EVAL-CN0503-ARDZ platform voor optische vloeistofmeting. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De EVAL-CN0503-ARDZ, in combinatie met het EVAL-ADICUP3029-ontwikkelingsbord, heeft vier configureerbare optische paden (Afbeelding 8). De twee buitenste paden bevatten ook loodrecht op elkaar staande fotodiodes en filterhouders voor fluorescentie- en verstrooiingsmetingen. Elk pad heeft een excitatie-LED, een condensorlens, een bundelsplitser, een referentiefotodiode en een zendfotodiode.

Afbeelding 8: Volledig gemonteerde EVAL-CN503-ARDZ aan de bovenzijde en EVAL-AIDCUP3029 aan de onderzijde. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Deze optische opstelling, in combinatie met de CN0503-Device Driver en de Wavetool evaluatiesoftware, biedt een weg naar een uitgebreide optische vloeistofanalyse.

Conclusie

Ontwerpers worden voortdurend gevraagd om meer functionaliteit toe te voegen aan draagbare monitors. Dit maakt het ontwerpproces nog ingewikkelder en trager, verhoogt de kosten van de componenten en het stroomverbruik. Een meer geïntegreerde aanpak van de gezondheidsmonitoring is vereist.

De combinatie van LED's, fotodetectors, een ADC-signaalpad en twaalf getimede signaalpaden, geleverd door de ADPD4101 van Analog Devices, creëert een uiterst nauwkeurig, robuust sensorsysteem voor draagbare medische en recreatieve apparatuur. Met de meerdere LED- en analoge kanalen van de ADPD4101 en de superieure timingalgoritmen biedt het toestel een ideale oplossing voor draagbare SpO₂-, hart-ECG- en huidweerstandsmetingen.