더 나은 맥박 산소 농도계를 설계하는 방법:구현

다음과 같은 의료 기기를 설계하는 것이 그 어느 때보다 중요합니다. 더 사용하기 편리하고 더 적은 전력을 소비합니다. 이 기사에서는 보다 효과적인 맥박 산소 측정기의 설계 및 구현에 대해 설명합니다.

이 2부작 시리즈의 첫 번째 기사에서는 맥박 산소 측정기의 기술 사양을 다루었습니다. 이 기사에서는 투과형 대 반사형, 센서 위치 지정, 관류 지수, 모션 아티팩트 및 광학 AFE를 사용한 설계의 세부 사항과 같은 설계 고려 사항을 다룹니다.

투과 vs. 반사

PPG 신호는 투과형 또는 반사형 LED 및 PD 구성을 사용하여 얻을 수 있습니다. 투과 구성은 신체의 일부를 통과하는 흡수되지 않은 빛을 측정합니다. 이 구성은 측정이 신체 위치의 모세관 밀도로부터 이점을 얻는 손가락 및 귓불과 같은 영역에 가장 적합하며, 측정을 보다 안정적이고 반복적이며 배치 변화에 덜 민감합니다. 투과형 구성은 관류 지수에서 40dB에서 60dB 증가를 달성합니다.

반사형 PPG 구성은 손목이나 가슴에 착용하는 장치와 같이 실용성을 위해 PD와 LED를 나란히 배치해야 하는 경우에 선택됩니다.

그림 1. LED-PD 구성. (출처:Analog Devices)

센서 위치 지정 및 관류 지수

피부, 지방 및 뼈와 같은 정적 반사 구성 요소 아래의 동맥 깊이로 인해 DC 신호가 크게 증가하기 때문에 손목과 가슴에 위치를 지정하려면 PPG AFE에서 더 큰 동적 범위가 필요합니다.

PPG 측정의 분해능이 높을수록 SpO₂의 불확실성이 감소합니다. 연산. 손목에 착용하는 SpO₂의 경우 1% ~ 2%의 일반적인 PI 맥박 산소 농도계 설계의 목표는 기계적 설계를 통해 PI를 높이거나 동적 범위를 늘리는 것입니다.

LED에서 PD까지의 간격은 PI에 큰 영향을 미칩니다. 간격이 너무 작으면 LED에서 PD 간 누화 또는 후방 산란이 증가합니다. 이것은 DC 신호로 나타나며 AFE를 포화시킵니다.

이 간격을 늘리면 후방 산란 및 누화의 영향이 줄어들지만 PD 반환 전류에 대한 LED 출력인 전류 변환기 비율(CTR)도 감소합니다. 이는 PPG 시스템의 효율성에 영향을 미치며 AFE 다이내믹 레인지를 최대화하려면 더 큰 LED 전력이 필요합니다.

하나 또는 여러 개의 LED를 빠르게 펄스하면 전체 신호에 대한 1/f 노이즈 기여를 줄이는 이점이 있습니다. LED를 펄스하면 수신 측에서 동기화된 변조를 사용하여 주변광 간섭을 제거할 수도 있습니다. 여러 펄스를 통합하면 PD 신호 진폭이 증가하고 평균 전류 소비가 낮아집니다. 총 PD 영역을 늘리면 더 많은 반사광이 캡처되므로 CTR도 증가합니다.

심박수 PPG 측정의 경우 혈류가 제한된 장소에서 사용하기 위해 많은 HR 장치 제조업체에서 단일 대형 PD와 다중 전력 효율적인 녹색 LED의 조합을 채택했습니다. 녹색 LED는 모션 아티팩트의 높은 거부로 인해 선택됩니다. 그러나 이것은 전력을 희생해야 합니다. 녹색 LED는 적색 및 IR보다 순방향 전압이 높고 인체 조직의 흡광도가 높기 때문에 의미 있는 심장 정보를 반환하려면 더 높은 LED 전력이 필요합니다.

SpO₂로 다중 파장이 필요하고 대부분의 시스템은 여전히 ​​HR 및 SpO에 대한 가장 일반적인 구성인 HR PPG용 고효율 녹색 LED를 통합합니다.₂ PPG 시스템은 그림 2의 ADI VSM 시계에서 볼 수 있듯이 여러 PD로 둘러싸인 단일 녹색, 빨간색 및 IR LED 어레이입니다. PD 대 LED 간격은 후방 산란을 줄이기 위해 최적화되었으며 배플 설계는 LED 대 PD 혼선을 줄였습니다.

그림 2. ADI VSM watch V4, 배플 및 LED DP 어레이. (출처:Analog Devices)

ADI VSM 시계의 여러 프로토타입은 HR PPG 및 SpO₂에 대한 가장 효율적인 PD 대 LED 간격을 확인하기 위해 시험되었습니다. 측정.

모션 아티팩트

모션 아티팩트는 PPG 측정 시스템의 가장 큰 설계 과제 중 하나입니다. 움직임이 있을 때 동맥과 정맥의 너비는 압력으로 인해 변경됩니다. 포토다이오드가 흡수하는 빛의 양은 변화하며 이는 신체가 안정되어 있을 때와 광자가 흡수되거나 반사되는 방식이 다르기 때문에 PPG 신호에 나타납니다.

무한히 긴 깊은 조직 샘플을 덮는 무한히 넓은 포토다이오드 영역의 경우 모든 광자는 결국 포토다이오드에 반사됩니다. 이 경우 움직임으로 인한 아티팩트가 감지되지 않습니다. 그러나 이것은 달성할 수 없습니다. 해결책은 정전용량을 고려하면서 포토다이오드 영역을 늘리는 것입니다. AFE를 낮추고 동작 아티팩트에 대한 필터링을 제공합니다.

PPG 신호의 정상 주파수는 0.5Hz ~ 5Hz이고 모션 인공물은 일반적으로 0.01Hz ~ 10Hz입니다. 간단한 대역 통과 필터링 기술은 PPG 신호에서 모션 아티팩트를 제거하는 데 사용할 수 없습니다. 고정밀 동작 제거를 달성하려면 적응형 필터에 고정밀 동작 데이터가 제공되어야 합니다. 이를 위해 Analog Devices는 ADXL362 3축 가속도계를 개발했습니다. 이 가속도계는 1mg 최대 8 g 해상도 100Hz에서 3.6μW만 소비하면서 3mm × 3mm 패키지로 제공됩니다.

광학 AFE

맥박 산소 농도계의 위치는 몇 가지 문제를 생성합니다. 손목 착용 SpO₂ 장치는 관심 있는 AC 신호가 PD에서 수신된 총 빛의 1% ~ 2%에 불과하기 때문에 추가적인 설계 문제를 제공합니다. 의료 등급 인증을 획득하고 옥시헤모글로빈 수준의 약간의 변화를 구별하려면 AC 신호에서 더 높은 동적 범위가 필요합니다. 이는 주변광 간섭을 줄이고 LED 드라이버 및 AFE 노이즈를 줄임으로써 달성할 수 있습니다.

증가된 동적 범위는 SpO₂를 측정하는 데 필수적입니다. 낮은 관류 시나리오에서, Analog Devices ADPD4100(및 ADPD4101)과 같은 차세대 광학 AFE는 최대 100dB SNR을 달성합니다. 이 통합 광학 AFE에는 8개의 온보드 저잡음 전류 소스와 8개의 개별 PD 입력이 있습니다. 디지털 타이밍 컨트롤러에는 12개의 프로그래밍 가능한 타이밍 슬롯이 있어 사용자가 특정 LED 전류, 아날로그 및 디지털 필터링, 통합 옵션, 타이밍 제약으로 PD 및 LED 시퀀스 어레이를 정의할 수 있습니다.

증가된 SNR/μW는 배터리로 구동되는 연속 모니터링을 위한 중요한 매개변수입니다. 이 핵심 메트릭은 AFE 다이내믹 레인지를 증가시키면서 AFE 전류 소비를 낮추어 해결되었습니다. 예를 들어, ADPD4100은 LED 전원을 포함하여 75dB, 25Hz 연속 PPG 측정에 대해 총 전력 소비가 30μW에 불과합니다. 샘플당 펄스 수(n)를 늘리면 SNR이 (√n) 증가하고 LED 구동 전류가 증가하면 SNR이 비례적으로 증가합니다. 1μW의 총 시스템 소비는 4V LED 전원을 사용하는 연속 PPG 측정에 대해 93dB SNR을 반환합니다.

자동 주변광 제거 기능은 호스트 마이크로프로세서의 부담을 줄이면서 60dB의 광 제거 기능을 제공합니다. 이것은 간섭을 거부하는 대역 통과 필터와 함께 1μs의 빠른 LED 펄스를 사용하여 달성됩니다. 특정 작동 모드에서 ADPD4100은 포토다이오드 암전류 또는 LED 꺼짐 상태를 자동으로 계산합니다. 이 결과는 ADC에서 변환하기 전에 LED 켜짐 상태에서 빼서 주변광을 제거하고 광다이오드 내의 이득 오류 및 드리프트를 제거합니다.

애플리케이션별 개발 도구를 사용하면 설계가 더욱 간소화됩니다. 예를 들어, ADPD4100은 EVAL-ADPD4100-4101 웨어러블 평가 키트 및 ADI Vital Signs Monitoring Study Watch로 지원됩니다. 이 하드웨어는 ADI Wavetool 애플리케이션에 원활하게 연결되어 SpO₂에 대한 생체 임피던스, ECG, PPG 심박수 및 다중 파장 PPG 측정을 가능하게 합니다. 개발. 연구 시계에 내장된 자동 이득 제어(AGC) 알고리즘은 TIA 이득과 LED 전류를 조정하여 선택한 모든 LED 파장에 대해 최적의 AC 신호 동적 범위를 제공합니다.

손가락 및 귓볼 기반 SpO₂ 뼈와 조직의 감소로 인해 신호 대 잡음비가 손목 또는 가슴 기반 위치보다 높기 때문에 판독값은 설계하기 가장 쉽고 DC 구성 요소 기여도도 감소합니다.

이러한 애플리케이션의 경우 ADPD144RI와 같은 광 센서 모듈과 ADPD1080과 같은 측광 프런트 엔드를 통해 개발자는 최적의 전력 대 잡음비를 달성하기 위해 LED 및 PD 배치 및 간격과 관련된 설계 문제를 신속하게 건너뛸 수 있습니다. 이것은 광학 센서가 2.8mm × 5mm 패키지에 통합된 적색 660nm LED, 880nm IR LED 및 4개의 PD를 가지고 있기 때문에 가능합니다. LED와 PD 사이의 간격은 SpO₂에 대해 최상의 신호 대 잡음비를 제공하도록 최적화되었습니다. 고정밀 PPG 측정. 또한 이 장치는 센서가 단일 유리 창 아래에 있는 경우에도 광학적 혼선을 최대한 줄이도록 기계적으로 최적화되었습니다.

ADPD1080은 17볼, 2.5mm × 1.4mm WLLCSP에 3개의 LED 드라이브 채널과 2개의 PD 전류 입력 채널이 있는 통합 광학 AFE입니다. 이 AFE는 보드 공간이 중요한 맞춤형 설계 저채널 PPG 제품에 적합합니다.

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그림 3. ADPD410X 블록 다이어그램. (출처:Analog Devices)

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그림 4. ADPD4100 동시 적색(오른쪽) 및 IR(왼쪽) PPG 측정. (출처:Analog Devices)

참조

<올>

타무라 토시요. "건강 모니터링을 위한 광혈류 측정기 및 SpO2의 현재 진행 상황." 생물의학 공학 서신 , 2019년 2월.

이지형, 마츠무라 켄타, 야마코시 켄이치, 피터 롤프, 다나카 시노부, 야마코시 다케히로. "동작 중 심박수 모니터링을 위한 적색 녹색 및 청색광 반사 광혈류 측정기의 비교." 2013년 3월 제5차 IEEE 엔지니어링 의학 및 생물학 학회(EMBC)의 연례 국제 회의 , 2013년 7월.

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로버트 피너티 아일랜드 리머릭에 위치한 Digital Healthcare Group에서 근무하는 Analog Devices의 시스템 애플리케이션 엔지니어입니다. 그는 Vital Signs Monitoring Group과 긴밀하게 협력하여 광학 및 임피던스 측정 솔루션에 중점을 두고 있습니다. Rob은 2012년 ADI 내 정밀 변환기 그룹에 합류하여 저대역폭 정밀 측정에 중점을 두었습니다. 그는 NUIG(National University of Ireland Galway)에서 전자 및 전기 공학 학사 학위(B.E.E.E)를 받았습니다. [email protected]으로 연락할 수 있습니다.

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