Käsittele puettavien laitteiden optiset signaalireitit nopeasti moniparametrimonitorilla

Puettavissa terveyden ja kunnon seurantalaitteissa kerätään useilla eri tekniikoilla monenlaisia liikkeeseen, yleiseen terveydentilaan ja uneen liittyviä tietoja. Suunnittelijat joutuvat pohtimaan, miten he voivat vastata loppukäyttäjien kysyntään. Puettaviin monitoreihin halutaan yhä enemmän toimintoja, kuten pulssioksimetria (SpO2), fotopletysmografia (PPG), elektrokardiogrammi (EKG), verenpaineen ja hengitystiheyden mittaus. Jokainen lisätoiminto kasvattaa suunnittelijoiden integrointiin, tehonhallintaan, painoon, kehityksen kestoon ja kustannuksiin liittyviä haasteita.

Esimerkiksi SpO₂-ratkaisut vaativat tyypillisesti monimutkaista elektroniikkaa ja useita integroituja piirejä (IC), jotka muodostavat optisen reitin kehon läpi käyttäen valodiodeja (ledit), valoantureita, transimpedanssivahvistimia (TIA), analogia-digitaalimuuntimia (AD-muuntimet) ja niihin liittyviä algoritmeja. EKG-laitteisiin tarvitaan herkkä, vähäkohinainen analoginen piiri, etuasteen instrumentaatiovahvistin sekä AD-muunnin. Tällaisissa diskreeteissä järjestelmissä käytetään myös lisälaitteita, joilla vähennetään ympäristön valon vaikutuksia ja hallitaan sähkömagneettisia häiriöitä (EMI). Nämä ratkaisut kyllä toimivat, mutta ne vievät runsaasti tilaa piirilevyltä ja tarvitsevat räätälöityjä laiteohjelmistoja, jolloin kustannukset kasvavat ja ratkaisun kehittäminen kestää kauemmin. Näiden suunnitteluongelmien ratkaisemiseen tarvitaan kattavampi integroitu ratkaisu.

Tässä artikkelissa kuvaillaan puettavia laitteita ja usean parametrin seurantaa, jossa käytetään lediajureita, transimpedanssivahvistimia, kaistanpäästösuodatinta, integraattoria ja AD-muunninta. Tässä artikkelissa esitellään moniparametrimonitori (Analog Devices ADPD4101) ja siihen liittyvät kehityskortit, joilla suunnitteluprosessia voidaan yksinkertaistaa ja nopeuttaa.

Analogisen etuasteen yleiskatsaus

Elintoimintojen tarkkailu siirtyy lääketieteestä ihmisten arkeen. Terveyteen liittyviä elintoimintoja tarkkailtiin alun perin sairaaloissa ja klinikoilla tiukassa lääketieteellisessä valvonnassa. Mikroelektroniikan prosessien ja ratkaisujen kehittyminen on laskenut puettavien tarkkailulaitteiden kustannuksia. Telelääketieteestä ja urheiluun sekä terveyteen liittyvästä tarkkailusta on tullut mahdollista. Puettavien laitteiden käyttöalue on laajentunut ja terveysmittarien laatutaso täyttää edelleen käyttäjien korkeat odotukset.

Elintoimintojen tarkkailuun kuuluu erilaisten henkilön terveydestä kertovien fysiologisten parametrien mittaamista. Esimerkiksi SpO₂-mittauksella mitataan veren happisaturaatiota ja sydämen sykettä. Puettavissa SpO₂-laitteissa käytettävät anturit ovat ledejä ja valodiodeja.

EKG- ja bioimpedanssimittauksissa määritetään sydämen syke, hengitystiheys, verenpaine, ihon sähkönjohtokyky sekä kehonkoostumus. Näiden elintoimintojen mittausratkaisujen on oltava pieniä, energiatehokkaita ja luotettavia. Tällaisten kriittisten ominaisuuksien mittaamisessa tarvitaan optisen mittauksen lisäksi biopotentiaalin ja impedanssin mittausta.

Elintoimintojen optiset signaalireitit

SpO₂-mittari mittaa veren happisaturaatiota ja muita elintoimintoja. Veren hapettumisen mittaukseen käytetään SpO₂-mittaustekniikkaa, jossa mitataan ledistä lähtevän valon kulkua kudoksen läpi erilaisilla valon aallonpituuksilla. SpO₂-mittaus voi paljastaa veren heikon hapettumisen, mikä voi viitata hengityselimistön sairauden puhkeamiseen tai hengityselimistöön vaikuttavaan häiriöön. SpO₂-tuloksista voidaan arvioida valtimoveren todellista O₂-saturaatiota sekä veren happipitoisuutta (S_aO₂).

SpO₂-mittarin optisessa järjestelmässä tarvitaan erilaisia ledejä ja fotodetektoreita. Optisten mittausten tyypilliseen signaaliketjuun kuuluvat useita eri aallonpituuksia tuottavat ledit, joiden avulla voidaan määrittää veren suhteellinen happitaso. Ledeistä lähtevä optinen signaali muunnetaan silikonivalodiodien sarjalla valosähkövirraksi. Tarvittava resoluutio ja tarkkuus saadaan aikaan valodiodin sähkövirran vahvistuksella ja AD-muunnoksella (kuva 1).

Kuva 1: SpO₂-mittauksen signaaliketju alkaa ledin valosignaalista, joka kulkee potilaan kudosten läpi. Valodiodi ottaa vastaan kudosten läpi kulkeneet signaalit ja muuntaa ledivalon pikoampeeriluokan (pA) virtasignaaliksi. TIA muuntaa virran edelleen jännitteeksi ja lähettää sen AD-muuntimelle. (Kuvan lähde: Analog Devices, Bonnie Baker muokannut kuvaa)

SpO₂-mittauksessa käytetään infrapunalediä, jonka aallonpituus on 940 nanometriä (nm), ja punaista lediä, jonka aallonpituus on 660 nm. Hapettunut hemoglobiini absorboi enemmän 940 nm:n infrapunavaloa. Hapeton hemoglobiini puolestaan absorboi enemmän 660 nm:n punaista valoa. Valodiodi ottaa molempien ledien absorboitumatta jääneet valosignaalit vastaan erikseen. Ledit eivät kuitenkaan lähetä valoa samaan aikaan, vaan niille määritetyllä pulssisekvenssillä varmistetaan, että yhteisvaikutusvirheet jäävät mahdollisimman vähiksi (kuva 2).

Kuva 2: SpO₂-mittaus ajastaa 660 nm:n punainen ledin (Pulse_RED) ja IR-ledin (Pulse_IR) siten, etteivät ledivalosignaalit häiritse toisiaan. (Kuvan lähde: Bonnie Baker)

Ledeiltä lähtevät signaalit muodostavat AC- ja DC-komponentteja. AC-komponentti edustaa valtimoveren sykkivää luonnetta. DC-komponentti on puolestaan vakio, joka edustaa valon absorboitumista kudokseen, laskimovereen ja sykkimättömään valtimovereen. Tämä komponentti on valtimon aikariippumaton osuus sydämen lepovaiheessa. Yhtälö 1 esittää, miten SpO₂-prosenttiarvo lasketaan:

 Yhtälö 1

Diskreetissä SpO₂-mittauspiirissä on kuusi kriittistä järjestelmää: lediohjainten vahvistimet, TIA-vahvistimet, analoginen vahvistusaste, AD-muunnin, digitaali-analogiamuunnin (DA-muunnin), jolla ohjataan lediohjainten vahvistinta, sekä AD-muuntimen ja DA-muuntimen analoginen jännitereferenssi.

Lediohjainten vahvistimia vaihdellaan kahden kanavan välillä sen varmistamiseksi, etteivät punainen ja IR-valo häiritse toisiaan. TIA ottaa vastaan valodiodin virran ja muuntaa sen jännitelähdöksi. TIA-vahvistimen jännitelähdön vahvistin kasvattaa signaalia AD-muuntimen syöttöaluetta varten. Vahvistimen jälkeen AD-muunnin digitoi signaalin ja lähettää sen mikrokontrollerille tai digitaaliselle signaaliprosessorille (DSP). Lopuksi koko signaaliketju tarvitsee vielä analogisen jännitereferenssin.

Biopotentiaalin ja bioimpedanssin mittaus

Biopotentiaali on elimistön sähkökemiallisesta toiminnasta johtuva sähköinen signaali. Esimerkiksi EKG mittaa biopotentiaalia. Poikkeuksellisen matalan sydämen sykesignaalin amplitudi on 0,5 – 4 millivolttia (mV) ja taajuusalue 0,05 – 40 hertsiä (Hz).

Lääkäri tarkkailee sydämen toimintaa vastaanotolla tai sairaalassa kiinnittämällä potilaan ihoon mittauselektrodit. Märillä elektrodeilla varmistetaan hyvä kosketus kehoon. Tyypillisesti käytetään hopea-hopeakloridiantureita (Ag/AgCl). Puettavia laitteita käyttävät henkilöt kokevat tällaiset elektrodit erittäin epämiellyttäviksi. Elektrodit voivat myös kuivua helposti ja ärsyttää ihoa.

Puettavassa EKG-piirissä sähkövaraus kerätäänkin kondensaattoriin. Latausprosessissa käytetään passiivisen vastus-kondensaattoriverkon (RC) perusteella laskettua optimoitua aikavakiota, jolla poistetaan ihon ja elektrodin välisen kosketuksen impedanssivaihtelun vaikutus. Kuvassa 3 EKG-signaali on kytketty RC-verkkoon ja TIA1-vahvistimeen. Tämä EKG-piiri sietää luontaisesti ihon ja elektrodin välisen kosketuksen impedanssivaihtelua.

Kuva 3: Anturit ECG+ ja ECG- yhdistetään potilaaseen kuivasti. Elektrodit lähettävät muutokset ihon varauksessa RC-verkkoon. BIO-Z1 ja BIO-Z2 ovat ihoanturin vastuksen (R_BIO-Z) kautta kulkevat kytkennät. Ne mittaavat TIA2:n avulla muutosta ihon vastuksessa rinnakkain R_BIO-Z-vastuksen kanssa. (Kuvan lähde: Analog Devices, Bonnie Baker muokannut kuvaa)

Myös bioimpedanssi antaa hyödyllistä tietoa ihmisen kehosta. Impedanssimittauksilla saadaan tietoa elektrodermisestä toiminnasta, joka kertoo kehon koostumuksesta ja nesteytysasteesta. Kuvan 3 toisella mittauspiirillä mitataan ihon vastusta elektrodivastuksella R_BIO-Z, jota käytetään rinnakkain ihon vastuksen kanssa. Tähän mittaukseen ei tarvita ledisignaalia. Ihon vastus on jokseenkin rajaton, paitsi jos potilaan ihosta tulee kosteutta tai hikeä anturin alle. Kehon hikoilu laskee rinnakkaista ihovastusta ja kasvattaa TIA2:n käänteistuloon menevää virtaa.

Puettavaan terveydentilamonitoriin liittyy ainutlaatuinen fysiologisten mittaushaasteiden yhdistelmä. Jokainen lisävaatimus lisää piirin monimutkaisuutta ja piirilevyn kokoa. Terveys- ja kuntomonitoroinnin mahdollisuuksien määrän kasvaessa kasvaa myös korkeasti integroitujen, kompleksisten ja pienikokoisten mikropiirien tarve.

Integroitu multimodaalinen anturi

ADPD4100- ja ADPD4101-mikropiirit ovat multimodaalisten anturien täysiä etuasteita, jotka stimuloivat jopa kahdeksaa lediä ja mittaavat paluusignaalin jopa kahdeksasta virtatulosta. Käytettävissä on 12 aikajakoa, joten jokaisella näytteenottojaksolla voidaan tehdä 12 toisistaan riippumatonta mittausta. Analogisia tuloja voidaan käyttää epäsymmetrisinä tai differentiaalipareina. Kahdeksan analogista tuloa on multipleksattu yhteen kanavaan tai kahteen toisistaan riippumattomaan kanavaan, jolloin samanaikaisesti voidaan tehdä mittauksia kahdesta anturista. Ainoa ero näiden kahden tuotteen välillä on se, että ADPD4100 tarjoaa SPI-rajapinnan ja ADPD4101 I²C-rajapinnan (kuva 4).

Kuva 4: ADPD4100- ja ADPD4101-piirien lohkokaaviossa on esitetty ledilähtökanavat ja analogiset tulokanavat. Tulokanaviin tulevat valodiodi- tai kapasitiiviset virtasignaalit muunnetaan AD-muuntimella. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 4 esitetyssä digitaalisen prosessoinnin ajoitusohjauksessa on 12 aikajakoa, jolloin yhdellä näytteenottojaksolla voidaan tehdä 12 erillistä mittausta. ADPD4100/ADPD4101-piirien joustava arkkitehtuuri sekä ulkoiset ledit ja valodiodit auttavat suunnittelijoita täyttämään puettavaan mittaukseen liittyvät tarpeet keräämällä biopotentiaali- ja bioimpedanssidataa. ADPD4100 tarjoaa täydellisen analogisen moduulin ja digitaalisen SPI-rajapinnan. ADPD4101-piirin digitaalinen rajapinta on I²C.

ADPD4100/ADPD4101-piirien analoginen signaalireitti koostuu kahdeksasta virtatulosta, jotka voidaan määrittää epäsymmetrisinä tai differentiaalipareina jompaankumpaan kahdesta toisistaan riippumattomasta kanavasta (kuva 5).

Kuva 5: Analogisen signaalireitin lohkokaaviossa on kahdeksan analogista tuloliitintä ja kaksi TIA-vahvistinta. Kaistanpäästösuodatin (BPF) on ennen integroijaa, joka auttaa parantamaan AD-muuntimen resoluutiota. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 5 näkyy miten kahden TIA-kanavan ansiosta näytteitä on mahdollista ottaa samanaikaisesti kahdesta anturista. Kumpikin kanava pystyy käyttämään TIA-vahvistinta, jonka vahvistus on säädettävissä (R_F), kaistanpäästösuodatinta (BPF), jonka ylipäästö-kulmataajuus on 100 kilohertsiä (kHz) ja alipäästötaajuus 390 kHz, sekä integroijaa, joka pystyy integroimaan ±7,5 pikocoulumbia (pC) näytettä kohden. Kumpikin kanava on aikamultipleksattu 14-bittiseen AD-muuntimeen. Kuvassa 5 R_INT on integroijatulon kanssa sarjaan kytketty vastus.

ADPD4100/ADPD4101 ratkaise monia puettavien laitteiden suunnitteluun liittyviä haasteita. Biolääketieteellinen etuaste täyttää kaikki vaatimukset: se on erittäin suorituskykyinen, anturien tulovaihe on kaksikanavainen, siinä on stimulointikanavat, digitaalinen prosessointi sekä ajastuksen ohjaus. Tämän multimodaalisen anturietuastesukupolven signaalikohinasuhde on aiempaa parempi, 100 desibeliä (dB), ja koko järjestelmän tehonkulutus on laskenut vain 30 mikrowattiin (µW).

ADPD4101-arviointialusta

EVAL-ADPD4100Z-PPG-arviointialusta (kuva 6) on arvokas apu suunnittelijoille, jotka harkitsevat fotometrisen ADPD4100/ADPD4101-etuasteen käyttöä. Alusta toteuttaa yksinkertaisen diskreetin optisen ratkaisun elintoimintojen tarkkailusovelluksiin ja erityisesti PPG-mittaukseen ranteesta.

Kuva 6: EVAL-ADPD4100Z-PPG-alusta auttaa suunnittelijoita arvioimaan ADPD4100/ADPD4101-piirien käyttöä PPG-mittauksessa ranteesta. Optiset elementit (oikealla) ovat kolme vihreää, yksi IR- ja yksi punainen ledi sekä valodiodi. (Kuvan lähde: Analog Devices)

EVAL-ADPD4100Z-PPG sisältää kolme vihreää, yhden IR- ja yhden punaisen ledin, joita kaikkia käytetään erikseen. Lisäksi siinä on yksi valodiodi, joten tämä arviointialusta on suoraan käyttövalmis.

ADPD4101-referenssisuunnitelma

EVAL-CN0503-ARDZ-referenssisuunnitelma on hyödyllinen työkalu, jonka avulla antureita voidaan kytkeä ADPD4101-piiriin. Referenssisuunnitelmassa ei puhuta suoraan puettavista monitoreista, mutta kannattaa tutustua CN0503-käyttöoppaan kuvauksiin siitä, miten EVAL-CN0503-ARDZ-alusta käyttää ADPD4101-piiriä sameuden, pH-arvon, kemiallisen koostumuksen ja muiden fysikaalisten ominaisuuksien mittaukseen. EVAL-CN0503-ARDZ-referenssisuunnitelma on uudelleenkonfiguroitava, usean parametrin optinen nesteanalyysialusta, jolla voi tehdä värinmittausta ja fluorometristä mittausta (kuva 7).

Kuva 7: Yksinkertaistettu kaavio: Analog Devices EVAL-CN0503-ARDZ, optinen nestemittausalusta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

EVAL-CN0503-ARDZ tarjoaa yhdessä EVAL-ADICUP3029-kehityskortin kanssa käytettäessä neljä konfiguroitavaa optista reittiä (kuva 8). Kahdessa ulommassa reitissä on myös kohtisuorat valodiodit ja suodatinliittimet fluoresenssin ja sironnan mittausta varten. Jokaiseen reittiin kuuluu viritysledi, kokoojalinssi, säteenjakaja, referenssivalodiodi ja lähetinvalodiodi.

Kuva 8: Valmis EVAL-CN503-ARDZ-alusta EVAL-AIDCUP3029-kortilla. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tämä optinen järjestelmä tarjoaa yhdessä CN0503-laiteajurin ja Wavetool-arviointiohjelmiston kanssa käytettynä kattavan optisen nesteanalyysireitin.

Yhteenveto

Suunnittelijoita pyydetään jatkuvasti lisäämään puettaviin monitoreihin uusia toimintoja. Tämä tekee suunnittelusta monimutkaisempaa ja hitaampaa. Samalla komponenttikustannukset sekä tehonkulutus kasvavat. Silloin tarvitaan integroidumpaa lähestymistapaa terveyden seurantaan.

Kuten edellä esitetään, Analog Devices ADPD4101-piirin ledien, valodetektorien, AD-muuntimen signaalireitin ja 12 signaalireitin yhdistelmä tarjoaa erittäin tarkan ja robustin anturijärjestelmän puettaviin lääketieteellisiin ja vapaa-ajan käyttöön tarkoitettuihin mittauslaitteisiin. ADPD4101 tarjoaa useita ledejä ja analogiakanavia sekä ylivoimaiset ajastusalgoritmit, joten se on ihanteellinen ratkaisu puettaviin SpO₂-, EKG- ja ihon vastusmittauksiin.