Szybkie uzgadnianie optycznych ścieżek sygnałowych za pomocą ubieralnego monitora wieloparametrowego

Ubieralne monitory stanu zdrowia i kondycji fizycznej wykorzystują różne techniki do zbierania szerokiego spektrum informacji dotyczących ruchu, ogólnego zdrowia i snu. Projektanci zmagają się z problemem zaspokojenia zapotrzebowania użytkowników końcowych na rozszerzenie funkcji tych monitorów ubieralnych o pulsoksymetrię (SpO2), fotopletyzmografię (PPG), elektrokardiografię (EKG), pomiar ciśnienia krwi i częstości oddechów. Każda dodatkowa funkcja tylko zwiększa narzucane projektantom wyzwania związane z integracją, zarządzaniem energią, wydajnością, wagą, czasem prac rozwojowych i kosztami.

Na przykład rozwiązania pomiaru SpO₂ zazwyczaj wymagają skomplikowanej elektroniki z wieloma układami scalonymi (IC), które tworzą ścieżkę optyczną przez ciało i wykorzystują diody elektroluminescencyjne (LED), fotoczujniki, wzmacniacze transimpedancyjne (TIA), przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) i powiązane algorytmy. Urządzenia EKG wymagają czułego, niskoszumowego obwodu analogowego ze wzmacniaczem instrumentacyjnym front-end i przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC). Te systemy dyskretne wykorzystują również dodatkowy sprzęt w celu zmniejszenia wpływu światła otoczenia i zarządzania zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Chociaż rozwiązania te działają, wymagają znacznej przestrzeni na płytce drukowanej i niestandardowego oprogramowania układowego, co zwiększa koszty i wydłuża czas prac rozwojowych. Wymagane jest bardziej całościowe i zintegrowane rozwiązanie, które załatwi wiele z tych problemów projektowych.

W niniejszym artykule opisano ubieralne jednostki fizyczne i monitor wieloparametrowy zawierający sterowniki LED, wzmacniacze transimpedancyjne (TIA), filtr pasmowo-przepustowy, układ całkujący i przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Artykuł przedstawia wykorzystanie monitora wieloparametrowego (ADPD4101 firmy Analog Devices) i powiązanych płytek rozwojowych w celu uproszczenia i przyspieszenia procesu projektowania.

Omówienie analogowego układu front-end

Monitorowanie podstawowych parametrów fizjologicznych wychodzi poza granice praktyki medycznej i wkracza w codzienne życie. Początkowo monitorowanie podstawowych parametrów fizjologicznych odbywało się pod ścisłym nadzorem medycznym w szpitalach i klinikach. Procesy mikroelektroniczne i postępy w projektowaniu zapewniają redukcję kosztów monitorów ubieralnych, otwierając furtkę telemedycynie oraz monitorowaniu aktywności i kondycji fizycznej. Dzięki tej ekspansji do urządzeń ubieralnych standardy jakości związane ze zdrowiem nadal odpowiadają wysokim oczekiwaniom użytkowników w zakresie jakości.

Monitorowanie podstawowych parametrów fizjologicznych polega na pomiarze szeregu wielkości, które mogą określać stan zdrowia danej osoby. Na przykład pomiar SpO₂ wykrywa procent utlenowania krwi i częstość akcji serca. Odpowiednimi czujnikami do urządzeń ubieralnych SpO₂ są diody LED i fotodiody.

Pomiary EKG i bioimpedancji określają częstość akcji serca i oddechu, ciśnienie krwi, przewodność skóry oraz skład ciała. Rozwiązania dotyczące tych podstawowych parametrów fizjologicznych muszą być kompaktowe, energooszczędne i niezawodne. Monitorowanie tak krytycznych parametrów wymaga pomiarów optycznych, biopotencjału i impedancji.

Optyczne ścieżki sygnałowe podstawowych parametrów fizjologicznych

W badaniu SpO₂ mierzy się procent nasycenia krwi tlenem i inne parametry fizjologiczne. W pomiarze utlenowania krwi wykorzystuje się metodę SpO₂, która ocenia przepuszczalność światła LED przez ciało przy różnych częstotliwościach optycznych. Badanie SpO₂ może zidentyfikować słabe utlenowanie, wskazujące na początek chorób lub zaburzeń układu oddechowego. Dane z pomiaru SpO₂ mogą również pomóc oszacować rzeczywiste nasycenie tętnicze O₂ i stężenie tlenu we krwi (S_aO₂).

Podczas wykonywania pomiaru SpO₂ układ optyczny wymaga zestawu narzędzi z różnymi diodami LED i fotodetektorami. Typowy łańcuch sygnałowy do pomiarów optycznych zawiera diody LED, które generują fale o różnych długościach umożliwiających ogólną identyfikację względnego poziomu tlenu we krwi. Szereg fotodiod krzemowych przekształca odebrany sygnał optyczny LED w fotoprąd. Wzmocnienie prądu fotodiody i jego konwersja w przetworniku analogowo-cyfrowym (ADC) zapewnia wymaganą rozdzielczość i dokładność (ilustracja 1).

Ilustracja 1: łańcuch sygnałowy do badania SpO₂ rozpoczyna się od sygnałów świetlnych LED przechodzących przez ciało pacjenta. Fotodioda przechwytuje sygnały przechodzące przez ciało, przekształcając światło diody LED na sygnał prądowy o natężeniu rzędu pikoamperów (pA). Wzmacniacz transimpedancyjny (TIA) przekształca ten prąd w napięcie i wysyła go do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). (Źródło ilustracji: Analog Devices, zmodyfikowane przez Bonnie Baker)

W badaniu SpO₂ wykorzystuje się diody podczerwieni (IR) o długości fali 940nm i czerwone diody LED o długości fali 660nm. Przy fali podczerwonej o długości 940nm natleniona hemoglobina pochłania więcej światła podczerwonego. Odtleniona hemoglobina pochłania więcej światła czerwonego o długości fali 660nm. Od obu diod LED do fotodiody dociera niezależnie niezaabsorbowane światło. Jednak te diody LED nie emitują światła w tym samym czasie. Diody LED mają sekwencję impulsów zapewniającą, że błędy krzyżowe będą pomijalne (ilustracja 2).

Ilustracja 2: taktowanie czerwonej diody LED 660nm (Pulse_RED) i diody podczerwieni (Pulse_IR) w urządzeniach SpO₂ zapewnia brak przenikania światła z każdego sygnału świetlnego LED. (Źródło ilustracji: Bonnie Baker)

Odbierane sygnały z diod LED tworzą składowe prądu zmiennego (AC) i stałego (DC). Składowa AC reprezentuje pulsacyjny charakter krwi tętniczej. Składowa DC jest stałą, która reprezentuje absorpcję światła przez tkankę, krew żylną i niepulsującą krew tętniczą. Ta składowa jest częścią tętniczą niezmienną w czasie, odpowiadającą fazie spoczynkowej serca. Równanie 1 przedstawia sposób obliczania wartości procentowej SpO₂:

Równanie 1

Dyskretny obwód pomiarowy SpO₂ zawiera sześć krytycznych układów: wzmacniacze sterownika LED, wzmacniacze transimpedancyjne, analogowy stopień wzmocnienia, przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) do sterowania wzmacniaczem sterownika LED oraz analogowe napięcie odniesienia dla przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) i przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC).

Wzmacniacze sterownika LED muszą przełączać się między dwoma kanałami, aby zapewnić, że światła czerwone i podczerwone nie przenikają się nawzajem. Wzmacniacz transimpedancyjny pobiera prąd fotodiody i przekształca go na wyjściowy sygnał napięciowy. Wzmacniacz wzmocnienia zwiększa wielkość sygnału, dostosowując go do zakresu wejściowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) na wyjściu napięciowym wzmacniacza transimpedancyjnego. Za wzmacniaczem wzmocnienia, przetwornik analogowo-cyfrowy digitalizuje sygnał i wysyła go do mikrokontrolera lub cyfrowego procesora sygnałowego (DSP). Wreszcie, cały łańcuch sygnałowy wymaga analogowego napięcia odniesienia.

Pomiary biopotencjału i bioimpedancji

Biopotencjał to sygnał elektryczny wynikający z elektrochemicznej aktywności organizmu. Na przykład pomiarem biopotencjału może być EKG. Wyjątkowo niska amplituda sygnału bicia serca wynosi od 0,5mV do 4mV i ma zakres częstotliwości od 0,05Hz do 40Hz.

W szpitalu lub gabinecie lekarskim lekarz monitoruje czynność serca, mocując elektrody do skóry. Zwilżone elektrody zapewniają dobry kontakt z ciałem. Zazwyczaj są to elektrody ze srebra/chlorku srebra (Ag/AgCl). Osoby korzystające z urządzeń ubieralnych stwierdzają, że te elektrody są wyjątkowo niewygodne i mogą łatwo wysychać lub podrażniać skórę.

Alternatywnym rozwiązaniem jest ubieralny obwód EKG, który gromadzi ładunek elektryczny na kondensatorze czujnikowym. Dzięki zoptymalizowanej stałej czasowej, obliczonej na podstawie pasywnej sieci rezystor-kondensator (RC), proces ładowania eliminuje zmiany impedancji styku skóra-elektroda. Na ilustracji 3 sygnał EKG łączy się z układem rezystor-kondensator (RC) i wzmacniaczem transimpedancyjnym TIA1. Ten obwód EKG charakteryzuje się naturalną odpornością na zmiany impedancji styku skóra-elektroda.

Ilustracja 3: elektrody EKG+ i EKG- stanowią suche połączenia z pacjentem. Te elektrody przekazują zmianę ładunku skóry do układu rezystor-kondensator (RC). BIO-Z1 i BIO-Z2 są połączeniami przez rezystor plastrowy (R_BIO-Z) i wykorzystują wzmacniacz transimpedancyjny (TIA2) do pomiaru zmiany rezystancji skóry równolegle z R_BIO-Z. (Źródło ilustracji: Analog Devices, zmodyfikowana przez Bonnie Baker)

Pomiar bioimpedancji to kolejny pomiar, który dostarcza użytecznych informacji fizykalnych. Pomiary impedancji dostarczają informacji o aktywności elektrodermalnej w zakresie składu ciała i poziomu nawodnienia. Drugi obwód czujnikowy na ilustracji 3 mierzy rezystancję skóry na podstawie rezystancji elektrody, R_BIO-Z, równolegle z rezystancją skóry. To badanie nie wymaga sygnału LED. Rezystancja skóry jest w przybliżeniu nieskończona, chyba że pacjent pod elektrodą wytwarza wilgoć lub pot. Wytwarzanie potu w ciele zmniejsza równoległą rezystancję skóry, zwiększając prąd płynący do wejścia odwracającego wzmacniacza transimpedancyjnego (TIA2).

Ubieralne urządzenia do monitorowania stanu zdrowia i kondycji fizycznej stanowią unikalną kombinację wyzwań związanych z wykrywaniem parametrów fizjologicznych. Każde dodatkowe wymaganie zwiększa złożoność obwodu i powierzchnię płytki drukowanej. Wraz ze wzrostem liczby opcji monitorów stanu zdrowia i kondycji rośnie zapotrzebowanie na wysoce zintegrowany, złożony i kompaktowy układ scalony.

Zintegrowany czujnik multimodalny

Układy scalone ADPD4100 i ADPD4101 to kompletne moduły czujników multimodalnych, które mogą wzbudzać maksymalnie osiem diod LED i mierzą sygnały zwrotne za pomocą maksymalnie ośmiu oddzielnych wejść prądowych. Dostępnych jest dwanaście przedziałów czasowych, umożliwiających uzyskanie dwunastu niezależnych pomiarów na okres próbkowania. Wejścia analogowe mogą być sterowane niesymetrycznie lub w parach różnicowych. Osiem wejść analogowych jest multipleksowanych w jeden kanał lub dwa niezależne kanały, co pozwala na jednoczesne próbkowanie dwóch czujników. Jedyną różnicą między tymi dwoma produktami jest to, że układ ADPD4100 posiada interfejs SPI, a ADPD4101 jest wyposażony w interfejs I²C (ilustracja 4).

Ilustracja 4: na schemacie blokowo-funkcjonalnym układów ADPD4100 i ADPD4101 pokazano kanały wyjściowe zasilacza LED i analogowe kanały wejściowe. Kanały wejściowe odbierają fotodiodowe lub pojemnościowe sygnały prądowe celem konwersji przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Na ilustracji 4 układ taktowania przetwarzania cyfrowego posiada dwanaście dostępnych przedziałów czasowych, co pozwala uzyskać dwanaście oddzielnych pomiarów w jednym okresie próbkowania. Wraz z zewnętrznymi diodami LED i fotodiodami elastyczna architektura układu ADPD4100/ADPD4101 pomaga projektantom sprostać ich potrzebom w zakresie pomiarów wykonywanych za pomocą urządzeń ubieralnych poprzez zbieranie danych dotyczących biopotencjału i bioimpedancji. Układ ADPD4100 stanowi kompletny moduł analogowy z cyfrowym interfejsem SPI. Cyfrowym interfejsem układu ADPD4101 jest I²C.

Ścieżki sygnału analogowego ADPD4100/ADPD4101 składają się z ośmiu wejść prądowych, które można skonfigurować jako pary różnicowe lub niesymetryczne w jeden z dwóch niezależnych kanałów (ilustracja 5).

Ilustracja 5: na schemacie blokowym ścieżki sygnału analogowego znajduje się osiem analogowych zacisków wejściowych i dwa wzmacniacze transimpedancyjne (TIA). Przed układem całkującym, który pomaga w zwiększeniu rozdzielczości przetwornika analogowo-cyfrowego znajduje się filtr pasmowo-przepustowy. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Na ilustracji 5 dostępna jest opcja jednoczesnego próbkowania dwóch czujników za pomocą dwóch kanałów wzmacniacza transimpedancyjnego. Każdy kanał może uzyskać dostęp do wzmacniacza transimpedancyjnego (TIA) z programowalnym wzmocnieniem (R_F), filtrem pasmowo-przepustowym (BPF) z wierzchołkiem górnoprzepustowym na poziomie 100kHz, dolnoprzepustową częstotliwością odcięcia rzędu 390kHz oraz układem całkującym zdolnym do całkowania ±7,5pC na próbkę. Każdy kanał jest multipleksowany czasowo do 14-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Na ilustracji 5 element opisany jako R_INT jest rezystorem szeregowym na wejściu układu całkującego.

Układ ADPD4100/ADPD4101 rozwiązuje wiele wyzwań, przed jakimi stają projektanci, pracując nad urządzeniami ubieralnymi. Biomedyczny układ front-end spełnia wszystkie wymagania dzięki wysokiej wydajności, dwukanałowemu stopniowi wejściowemu czujnika, kanałom stymulacyjnym, cyfrowemu aparatowi przetwarzania i układowi taktowania. Ta generacja układu frond-end do czujników multimodalnych ma ulepszony stosunek sygnału do szumu wynoszący 100dB i zmniejszone zużycie energii na poziomie 30µW dla całego układu.

Płytka ewaluacyjna ADPD4101

Płytka ewaluacyjna EVAL-ADPD4100Z-PPG (ilustracja 6) jest cenna dla projektantów biorących pod uwagę fotometryczny interfejs ADPD4100/ADPD4101. Płytka implementuje prostą dyskretną konstrukcję optyczną do zastosowań w zakresie monitorowania podstawowych parametrów fizjologicznych, w szczególności naręcznych fotopletysmografów.

Ilustracja 6: płytka EVAL-ADPD4100Z-PPG pomaga w ewaluacji układu ADPD4100/ADPD4101 do projektowania naręcznych fotopletysmografów (PPG). Na elementy optyczne (po prawej) składają się: trzy zielone, jedna podczerwona i jedna czerwona dioda LED oraz fotodioda. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Płytka EVAL-ADPD4100Z-PPG posiada oddzielnie sterowane diody LED: trzy zielone, jedną podczerwoną i jedną czerwoną. Jest też jedna wbudowana fotodioda, dzięki której płytka ewaluacyjna jest gotowa do natychmiastowego działania.

Projekt referencyjny układu ADPD4101

Przydatnym narzędziem do podłączenia czujników do układu ADPD4101 jest projekt referencyjny EVAL-CN0503-ARDZ. Ten projekt referencyjny nie odnosi się konkretnie do monitorów ubieralnych, ale jest przydatny, aby zobaczyć, jak podręcznik użytkownika CN0503 ilustruje wykorzystanie układu ADPD4101 w EVAL-CN0503-ARDZ do wykrywania zmętnienia, pH, składu chemicznego i innych właściwości fizycznych. Projekt referencyjny EVAL-CN0503-ARDZ to rekonfigurowalna, wieloparametrowa optyczna platforma do cieczy, która umożliwia wykonywanie pomiarów kolorymetrycznych i fluorometrycznych (ilustracja 7).

Ilustracja 7: uproszczony schemat optycznej platformy do pomiaru cieczy EVAL-CN0503-ARDZ. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Platforma EVAL-CN0503-ARDZ w połączeniu z płytką rozwojową EVAL-ADICUP3029 ma cztery konfigurowalne ścieżki optyczne (ilustracja 8). Dwie zewnętrzne ścieżki obejmują również prostopadłe fotodiody i gniazda filtracyjne do pomiarów fluorescencji i rozpraszania. Każda ścieżka posiada wzbudzającą diodę LED, soczewkę kondensora, rozdzielacz wiązki, fotodiodę referencyjną i fotodiodę nadawczą.

Ilustracja 8: w pełni zmontowana platforma EVAL-CN503-ARDZ (na górze) i płytka rozwojowa EVAL-AIDCUP3029 (na dole). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Omawiany układ optyczny w połączeniu ze sterownikiem CN0503-Device i oprogramowaniem ewaluacyjnym Wavetool, zapewnia ścieżkę do kompleksowej optycznej analizy cieczy.

Podsumowanie

Od projektantów ciągle wymaga się rozszerzenia funkcji monitorów ubieralnych. To dodatkowo komplikuje i spowalnia proces projektowania, zwiększa koszt komponentów i zwiększa zużycie energii. Potrzebne jest bardziej zintegrowane podejście do monitorowania zdrowia.

Połączenie diod LED, fotodetektorów, ścieżki sygnałowej przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) i dwunastu taktowanych ścieżek sygnałowych generowanych przez moduł ADPD4101 firmy Analog Devices stanowi wysoce precyzyjny, solidny układ detekcyjny do ubieralnych urządzeń medycznych i rekreacyjnych. Dzięki wielu kanałom LED i analogowym układu ADPD4101 oraz doskonałym algorytmom taktowania, omawiane urządzenie stanowi idealne rozwiązanie do pomiarów SpO₂, EKG serca i rezystancji skóry za pomocą urządzeń ubieralnych.