Cómo diseñar un mejor oxímetro de pulso:Implementación

Es más importante que nunca diseñar dispositivos médicos que más cómodo de usar y consume menos energía. Este artículo analiza el diseño y la implementación de un oxímetro de pulso más eficaz.

En el primer artículo de esta serie de dos partes, cubrimos las especificaciones técnicas de un oxímetro de pulso. En este artículo, cubriremos consideraciones de diseño como transmisivo vs reflectante, posicionamiento del sensor, índice de perfusión, artefactos de movimiento y detalles específicos del diseño con un AFE óptico.

Transmisivo frente a reflectante

Se puede obtener una señal PPG utilizando un LED transmisivo o reflectante y una configuración de PD. Una configuración transmisiva mide la luz no absorbida que pasa a través de una parte del cuerpo. Esta configuración se adapta mejor a áreas como el dedo y el lóbulo de la oreja donde la medición se beneficia de la densidad capilar de estas ubicaciones corporales, lo que hace que las mediciones sean más estables, repetitivas y menos sensibles a las variaciones de ubicación. Las configuraciones transmisivas logran un aumento de 40 dB a 60 dB en el índice de perfusión.

Las configuraciones de PPG reflectantes se eligen cuando el PD y el LED deben colocarse uno al lado del otro por razones de practicidad, como con dispositivos que se llevan en la muñeca o en el pecho.

Figura 1. Configuración LED-PD. (Fuente:Analog Devices)

Índice de perfusión y posicionamiento del sensor

El posicionamiento en la muñeca y el pecho requiere un mayor rango dinámico en el PPG AFE ya que la señal de CC aumenta considerablemente debido a la profundidad de las arterias debajo de los componentes reflectantes estáticos como la piel, la grasa y los huesos.

Una mayor resolución en las mediciones de PPG reducirá la incertidumbre en el SpO ₂ algoritmo. Con un IP típico de 1% a 2% para SpO ₂ de muñeca sensores, el objetivo del diseño del oxímetro de pulso es aumentar el PI a través del diseño mecánico o aumentar el rango dinámico.

El espaciado del LED a PD tendrá un efecto importante en el PI. Un espaciado demasiado pequeño aumentará la diafonía o la retrodispersión de LED a PD. Esto aparecerá como una señal de CC y saturará el AFE.

El aumento de este espaciado reduce el efecto tanto de la retrodispersión como de la diafonía, pero también reduce la relación del transformador de corriente (CTR), que es la salida del LED a la corriente de retorno de PD. Esto afectará la eficiencia del sistema PPG y requerirá una mayor potencia de LED para maximizar el rango dinámico AFE.

Pulsar rápidamente uno o varios LED tiene la ventaja de reducir la contribución de ruido 1 / f a la señal general. Pulsar los LED también hace posible el uso de modulación sincronizada en el lado de recepción para cancelar las interferencias de luz ambiental. La integración de múltiples pulsos aumenta la amplitud de la señal de DP y reduce el consumo de corriente promedio. El aumento del área total de DP también aumenta el CTR a medida que se captura más luz reflectante.

Para la medición de PPG de frecuencia cardíaca, muchos fabricantes de dispositivos de frecuencia cardíaca han adoptado una combinación de un solo DP grande y múltiples LED verdes de bajo consumo para usar en lugares donde hay un flujo sanguíneo limitado. Los LED verdes se eligen debido a su alto rechazo de los artefactos de movimiento. Sin embargo, esto tiene un costo de energía. Los LED verdes tienen un voltaje directo más alto que el rojo y el IR y una alta absorbancia en el tejido humano, lo que significa que se requiere una potencia LED más alta para devolver información cardíaca significativa.

Como SpO ₂ requiere múltiples longitudes de onda y la mayoría de los sistemas aún incorporan LED verdes de alta eficiencia para HR PPG, la configuración más común para HR y SpO ₂ Los sistemas PPG son una única matriz de LED verde, rojo e IR rodeada por múltiples PD, como se ve en el reloj ADI VSM en la Figura 2. El espaciado de PD a LED se ha optimizado para reducir la retrodispersión y el diseño del deflector reduce la diafonía de LED a PD.

Figura 2. ADI VSM watch V4, deflector y matriz LED DP. (Fuente:Analog Devices)

Se probaron varios prototipos del reloj ADI VSM para verificar el espaciado más eficiente entre PD y LED para nuestro HR PPG y SpO ₂ medición.

Artefactos de movimiento

Los artefactos de movimiento representan uno de los mayores desafíos de diseño para un sistema de medición PPG. Cuando hay movimiento, el ancho de las arterias y venas cambia debido a la presión. La cantidad de luz absorbida por el fotodiodo cambia y está presente en la señal PPG porque los fotones se absorben o reflejan de manera diferente que cuando un cuerpo está en reposo.

Para un área de fotodiodo infinitamente amplia que cubre una muestra de tejido profundo infinitamente larga, todos los fotones eventualmente se reflejarán en el fotodiodo. En este caso, no se detectará ningún artefacto debido al movimiento. Sin embargo, esto no se puede lograr; la solución es aumentar el área del fotodiodo mientras se tiene en cuenta la capacitancia, lo que reduce el AFE y proporciona filtrado para los artefactos de movimiento.

La frecuencia normal para una señal PPG está entre 0,5 Hz y 5 Hz, mientras que los artefactos de movimiento suelen estar entre 0,01 Hz y 10 Hz. No se pueden utilizar técnicas simples de filtrado de paso de banda para eliminar los artefactos de movimiento de la señal PPG. Para lograr una cancelación de movimiento de alta precisión, es necesario suministrar un filtro adaptativo con datos de movimiento de alta precisión. Para este propósito, Analog Devices ha desarrollado el acelerómetro de 3 ejes ADXL362. Este acelerómetro proporciona 1 m g resolución de hasta 8 g de rango mientras consume solo 3.6 μW a 100 Hz y está disponible en un paquete de 3 mm × 3 mm.

AFE óptico

El posicionamiento del oxímetro de pulso genera varios desafíos. SpO ₂ para llevar en la muñeca Los dispositivos presentan desafíos de diseño adicionales ya que la señal de CA de interés es solo del 1% al 2% de la luz total recibida en el PD. Para lograr la certificación de grado médico y distinguir entre ligeras variaciones en los niveles de oxihemoglobina, se requiere un rango dinámico más alto en la señal de CA. Esto se puede lograr reduciendo la interferencia de la luz ambiental y disminuyendo el controlador LED y el ruido AFE.

El aumento del rango dinámico es esencial para medir SpO ₂ en escenarios de baja perfusión, y AFE ópticos de próxima generación como Analog Devices ADPD4100 (y ADPD4101) alcanzan hasta 100 dB SNR. Este AFE óptico integrado tiene ocho fuentes de corriente de bajo ruido integradas y ocho entradas de PD independientes. El controlador de tiempo digital tiene 12 ranuras de tiempo programables que permiten al usuario definir una serie de secuencias de LED y PD con corriente de LED específica, filtrado analógico y digital, opciones de integración y limitaciones de tiempo.

El aumento de SNR / μW es un parámetro importante para el monitoreo continuo alimentado por batería. Esta métrica clave se ha abordado aumentando el rango dinámico de AFE y al mismo tiempo reduciendo el consumo de corriente de AFE. El ADPD4100, por ejemplo, tiene un consumo de energía total de solo 30 μW para una medición PPG continua de 75 dB, 25 Hz, incluido el suministro de LED. Aumentar el número de pulsos por muestra (n) dará como resultado un aumento (√n) en SNR, mientras que aumentar la corriente de excitación del LED tendrá un aumento proporcional en SNR. El consumo total del sistema de 1 μW devolverá 93 dB SNR para una medición PPG continua utilizando un suministro de LED de 4 V.

El rechazo automático de la luz ambiental reduce la carga sobre el microprocesador del host al tiempo que logra 60 dB de rechazo de la luz. Esto se logra utilizando pulsos de LED tan rápidos como 1 μs junto con un filtro de paso de banda para rechazar la interferencia. En ciertos modos de funcionamiento, el ADPD4100 calcula automáticamente la corriente oscura del fotodiodo o el estado del LED apagado. Este resultado se resta del estado de encendido del LED antes de la conversión en el ADC para eliminar la luz ambiental, así como los errores de ganancia y la deriva dentro del fotodiodo.

El diseño se simplifica aún más con herramientas de desarrollo específicas de la aplicación. Por ejemplo, el ADPD4100 es compatible con el kit de evaluación portátil EVAL-ADPD4100-4101 y el reloj de estudio de monitoreo de signos vitales de ADI. Este hardware se conecta sin problemas a la aplicación ADI Wavetool para permitir mediciones de bioimpedancia, ECG, frecuencia cardíaca PPG y PPG de longitud de onda múltiple para SpO ₂ desarrollo. Integrado en el reloj de estudio hay un algoritmo de control automático de ganancia (AGC) que sintoniza la ganancia de TIA y la corriente del LED para brindar un rango dinámico de señal de CA óptimo para todas las longitudes de onda de LED seleccionadas.

SpO ₂ basada en dedos y lóbulos de la oreja Las lecturas son las más fáciles de diseñar, ya que la relación señal / ruido es más alta que la posición basada en la muñeca o el pecho debido a la reducción de hueso y tejido, lo que también reduce la contribución del componente de CC.

Para tales aplicaciones, un módulo de sensor óptico como el ADPD144RI y un front-end fotométrico como el ADPD1080 permiten a los desarrolladores omitir rápidamente los desafíos de diseño asociados con la ubicación y el espaciado de LED y PD para lograr relaciones óptimas de potencia a ruido. Esto es posible porque el sensor óptico tiene un LED rojo de 660 nm integrado, un LED IR de 880 nm y cuatro PD en un paquete de 2,8 mm × 5 mm. El espacio entre los LED y PD se ha optimizado para ofrecer la mejor relación señal / ruido para SpO ₂ Mediciones PPG de alta precisión. El dispositivo también se ha optimizado mecánicamente para reducir la diafonía óptica tanto como sea posible, incluso cuando el sensor se coloca debajo de una única ventana de vidrio.

El ADPD1080 es un AFE óptico integrado con tres canales de impulsión de LED y dos canales de entrada de corriente PD en un WLLCSP de 17 bolas, 2,5 mm × 1,4 mm. Este AFE funciona bien para productos PPG de bajo número de canales de diseño personalizado donde el espacio de la placa es crítico.

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Figura 3. Diagrama de bloques de ADPD410X. (Fuente:Analog Devices)

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Figura 4. Medición PPG roja (derecha) e IR (izquierda) simultánea del ADPD4100. (Fuente:Analog Devices)

Referencias

1. Toshiyo Tamura. "Progreso actual de la fotopletismografía y la SpO2 para el control de la salud". Cartas de ingeniería biomédica , Febrero de 2019.
2. Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken-Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka y Takehiro Yamakoshi. "Comparación entre la fotopletismografía por reflexión de luz roja, verde y azul para el control de la frecuencia cardíaca durante el movimiento". 2013 3 Quinta Conferencia Internacional Anual de la Sociedad de Ingeniería en Medicina y Biología del IEEE (EMBC) , Julio de 2013.

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Robert Finnerty es ingeniero de aplicaciones de sistemas en Analog Devices, donde trabaja en el Digital Healthcare Group con sede en Limerick, Irlanda. Trabaja en estrecha colaboración con el Grupo de Monitoreo de Signos Vitales, enfocándose en soluciones de medición óptica y de impedancia. Rob se unió al grupo de convertidores de precisión dentro de ADI en 2012 y se ha centrado en la medición de precisión de ancho de banda bajo. Tiene una licenciatura en ingeniería electrónica y eléctrica (B.E.E.E) de la Universidad Nacional de Irlanda Galway (NUIG). Puede ser contactado en [email protected].

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