Como projetar um oxímetro de pulso melhor:Implementação

É mais importante do que nunca projetar dispositivos médicos que sejam mais conveniente de usar e consome menos energia. Este artigo discute o projeto e a implementação de um oxímetro de pulso mais eficaz.
No primeiro artigo desta série de duas partes, cobrimos as especificações técnicas de um oxímetro de pulso. Neste artigo, cobriremos as considerações de design, como transmissivo versus reflexivo, posicionamento do sensor, índice de perfusão, artefatos de movimento e especificações de design com um AFE óptico.

Transmissivo vs. Reflexivo

Um sinal PPG pode ser obtido usando um LED transmissivo ou reflexivo e configuração PD. Uma configuração transmissiva mede a luz não absorvida que passa por uma parte do corpo. Essa configuração é mais adequada para áreas como o dedo e o lóbulo da orelha, onde a medição se beneficia da densidade capilar desses locais do corpo, o que torna as medições mais estáveis, repetitivas e menos sensíveis a variações na colocação. As configurações transmissivas atingem um aumento de 40 dB a 60 dB no índice de perfusão.

As configurações de PPG reflexivas são escolhidas quando o PD e o LED devem ser colocados próximos um do outro por questões de praticidade, como em dispositivos usados ​​no pulso ou no peito.

Figura 1. Configuração LED-PD. (Fonte:Dispositivos analógicos)

Posicionamento do sensor e índice de perfusão

O posicionamento no pulso e no tórax requer maior faixa dinâmica no PPG AFE, pois o sinal DC é muito aumentado devido à profundidade das artérias abaixo dos componentes reflexivos estáticos, como pele, gordura e osso.

Maior resolução nas medições PPG reduzirá a incerteza no SpO ₂ algoritmo. Com um IP típico de 1% a 2% para SpO usado no pulso ₂ sensores, o objetivo do projeto do oxímetro de pulso é aumentar o PI por meio do projeto mecânico ou para aumentar a faixa dinâmica.

O espaçamento do LED para o PD terá um efeito importante no PI. O espaçamento insuficiente aumentará o LED para diafonia ou retroespalhamento de PD. Isso aparecerá como um sinal DC e saturará o AFE.

Aumentar esse espaçamento reduz o efeito de retroespalhamento e crosstalk, mas também reduz a relação do transformador de corrente (CTR), que é a saída do LED para a corrente de retorno PD. Isso afetará a eficiência do sistema PPG e exigirá maior potência do LED para maximizar a faixa dinâmica do AFE.

Pulsar rapidamente um ou vários LEDs tem a vantagem de reduzir a contribuição do ruído 1 / f para o sinal geral. Pulsar os LEDs também torna possível usar a modulação sincronizada no lado da recepção para cancelar as interferências da luz ambiente. A integração de vários pulsos aumenta a amplitude do sinal PD e reduz o consumo médio de corrente. Aumentar a área total de PD também aumenta o CTR à medida que mais luz reflexiva é capturada.

Para a medição de PPG da frequência cardíaca, uma combinação de um único grande PD e vários LEDs verdes eficientes em energia foi adotada por muitos fabricantes de dispositivos de RH para serem usados ​​em locais onde há fluxo sanguíneo limitado. LEDs verdes são escolhidos devido à sua alta rejeição de artefatos de movimento. No entanto, isso tem o custo de energia. Os LEDs verdes têm uma voltagem direta mais alta do que os vermelhos e os infravermelhos e alta absorbância no tecido humano, o que significa que é necessária uma potência mais alta do LED para retornar informações cardíacas significativas.

Como SpO ₂ requer vários comprimentos de onda e a maioria dos sistemas ainda incorpora LEDs verdes de alta eficiência para HR PPG, a configuração mais comum para HR e SpO ₂ Os sistemas PPG são uma única matriz de LED verde, vermelho e IR cercada por vários PDs, como visto no relógio ADI VSM na Figura 2. O espaçamento de PD para LED foi otimizado para reduzir a dispersão e o design do defletor reduz a diafonia de LED para PD.

Figura 2. ADI VSM watch V4, defletor e LED DP array. (Fonte:Dispositivos analógicos)

Vários protótipos do relógio ADI VSM foram testados para verificar o espaçamento de PD para LED mais eficiente para nosso HR PPG e SpO ₂ medição.

Artefatos de movimento

Artefatos de movimento fornecem um dos maiores desafios de design para um sistema de medição PPG. Quando há movimento, a largura das artérias e veias muda devido à pressão. A quantidade de luz absorvida pelo fotodiodo muda e está presente no sinal PPG porque os fótons são absorvidos ou refletidos de forma diferente do que quando um corpo está em repouso.

Para uma área de fotodiodo infinitamente ampla cobrindo uma amostra de tecido profundo infinitamente longa, todos os fótons serão eventualmente refletidos para o fotodiodo. Neste caso, nenhum artefato devido ao movimento será detectado. Isso, entretanto, não pode ser alcançado; a solução é aumentar a área do fotodiodo levando em consideração a capacitância - diminuindo o AFE e fornecendo filtragem para artefatos de movimento.

A frequência normal para um sinal PPG é entre 0,5 Hz a 5 Hz, enquanto artefatos de movimento são tipicamente entre 0,01 Hz a 10 Hz. Técnicas de filtragem de passagem de banda simples não podem ser usadas para remover artefatos de movimento do sinal PPG. Para obter o cancelamento de movimento de alta precisão, um filtro adaptativo precisa ser fornecido com dados de movimento de alta precisão. Para isso, a Analog Devices desenvolveu o acelerômetro de 3 eixos ADXL362. Este acelerômetro fornece 1 m g resolução com até 8 g de alcance enquanto consome apenas 3,6 μW a 100 Hz e está disponível em um pacote de 3 mm × 3 mm.

AFE óptico

O posicionamento do oxímetro de pulso gera vários desafios. SpO de pulso ₂ os dispositivos oferecem desafios adicionais de design, pois o sinal AC de interesse é de apenas 1% a 2% da luz total recebida no PD. Para obter a certificação de grau médico e distinguir entre pequenas variações nos níveis de oxihemoglobina, uma faixa dinâmica mais alta no sinal AC é necessária. Isso pode ser obtido reduzindo a interferência da luz ambiente e diminuindo o driver de LED e o ruído AFE.

O aumento da faixa dinâmica é essencial para medir o SpO ₂ em cenários de baixa perfusão, e AFEs ópticos de próxima geração como os Analog Devices ADPD4100 (e ADPD4101) alcançam SNR de até 100 dB. Este AFE óptico integrado possui oito fontes de corrente de baixo ruído integradas e oito entradas PD separadas. O controlador de temporização digital possui 12 slots de temporização programáveis ​​que permitem ao usuário definir uma série de sequências de PD e LED com corrente de LED específica, filtragem analógica e digital, opções de integração e restrições de temporização.

SNR / μW aumentado é um parâmetro importante para monitoramento contínuo alimentado por bateria. Essa métrica principal foi resolvida aumentando a faixa dinâmica AFE e, ao mesmo tempo, diminuindo o consumo de corrente AFE. O ADPD4100, por exemplo, tem um consumo total de energia de apenas 30 μW para uma medição PPG contínua de 75 dB e 25 Hz incluindo a alimentação de LED. Aumentar o número de pulsos por amostra (n) resultará em um aumento (√n) no SNR, enquanto o aumento da corrente do acionamento do LED terá um aumento proporcional no SNR. O consumo total do sistema de 1 μW retornará 93 dB SNR para uma medição PPG contínua usando uma fonte de LED de 4 V.

A rejeição automática da luz ambiente reduz a carga sobre o microprocessador host enquanto atinge 60 dB de rejeição da luz. Isso é obtido usando pulsos de LED de até 1 μs em conjunto com um filtro passa-banda para rejeitar interferências. Em certos modos de operação, o ADPD4100 calcula automaticamente a corrente escura do fotodiodo ou o estado do LED desligado. Este resultado é subtraído do estado do LED ligado antes da conversão no ADC para remover a luz ambiente, bem como erros de ganho e desvio dentro do fotodiodo.

O design é ainda mais simplificado com ferramentas de desenvolvimento específicas para aplicativos. Por exemplo, o ADPD4100 é compatível com o kit de avaliação vestível EVAL-ADPD4100-4101 e o ADI Vital Signs Monitoring Study Watch. Este hardware se conecta perfeitamente ao aplicativo ADI Wavetool para permitir medições de bioimpedância, ECG, frequência cardíaca PPG e PPG de comprimento de onda múltiplo para SpO ₂ desenvolvimento. Incorporado no relógio de estudo está um algoritmo de controle automático de ganho (AGC) que ajusta o ganho TIA e a corrente do LED para fornecer uma faixa dinâmica de sinal CA ideal para todos os comprimentos de onda do LED selecionados.

SpO ₂ com base no lóbulo da orelha e dedo as leituras são mais fáceis de projetar, pois a relação sinal-ruído é maior do que o posicionamento baseado no pulso ou no tórax devido à redução do osso e do tecido, o que também reduz a contribuição do componente DC.

Para tais aplicações, um módulo de sensor óptico como o ADPD144RI e um front end fotométrico como o ADPD1080 permitem que os desenvolvedores ignorem rapidamente os desafios de design associados ao posicionamento e espaçamento de LED e PD para obter relações de potência / ruído ideais. Isso é possível porque o sensor óptico tem um LED vermelho de 660 nm integrado, LED de IV de 880 nm e quatro PDs em um pacote de 2,8 mm x 5 mm. O espaçamento entre os LEDs e PD foi otimizado para fornecer a melhor relação sinal-ruído para SpO ₂ medições PPG de alta precisão. O dispositivo também foi mecanicamente otimizado para reduzir a diafonia óptica tanto quanto possível, mesmo quando o sensor é colocado sob uma única janela de vidro.

O ADPD1080 é um AFE óptico integrado com três canais de drive de LED e dois canais de entrada de corrente PD em um WLLCSP de 17 bolas, 2,5 mm × 1,4 mm. Este AFE funciona bem para produtos PPG de baixa contagem de canais de design personalizado, onde o espaço da placa é crítico.

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Figura 3. Diagrama de blocos ADPD410X. (Fonte:Dispositivos analógicos)

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Figura 4. Medição PPG simultânea do ADPD4100 vermelho (direita) e IR (esquerda). (Fonte:Dispositivos analógicos)

Referências

1. Toshiyo Tamura. “Current Progress of Photoplethysmography and SpO2 for Health Monitoring.” Cartas de Engenharia Biomédica , Fevereiro de 2019.
2. Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken-Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka e Takehiro Yamakoshi. “Comparison Between Red Green and Blue Light Reflection Photoplethysmography for Heart Rate Monitoring Durante o movimento.” 2013 3 5ª Conferência Internacional Anual da Sociedade de Engenharia em Medicina e Biologia IEEE (EMBC) , Julho de 2013.

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Robert Finnerty é engenheiro de aplicativos de sistemas na Analog Devices, onde trabalha no Digital Healthcare Group com sede em Limerick, Irlanda. Ele trabalha em estreita colaboração com o Grupo de Monitoramento de Sinais Vitais, com foco em soluções de medição óptica e de impedância. Rob juntou-se ao grupo de conversores de precisão da ADI em 2012 e se concentrou na medição de precisão de baixa largura de banda. Ele é bacharel em engenharia eletrônica e elétrica (B.E.E.E) pela National University of Ireland Galway (NUIG). Ele pode ser contatado em [email protected].

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