우수한 펄스 옥시미터 설계: 구현 인사이트

사용자 친화적이면서 전력 효율적인 의료 기기 설계는 오늘날 매우 중요합니다. 이 기사는 차세대 펄스 옥시미터 구축을 위한 실질적 단계와 설계 고려사항을 자세히 다룹니다.

앞선 기사는 펄스 옥시미터 사양을 설명했으며, 여기서는 투과형 대 반사형 구성, 최적 센서 배치, 관류 지수 최적화, 모션 아티팩트 감소, 광학 아날로그 프론트엔드 통합의 미묘한 차이 등 핵심 설계 선택에 대해 다룹니다.

투과형 vs 반사형

광전맥파(PPG) 신호는 투과형 또는 반사형 LED-PD 배열로 캡처할 수 있습니다. 투과형 설정에서 흡수되지 않은 빛이 신체 부위를 통과하므로 손가락이나 귓불 같은 고밀도 모세혈관 부위에 이상적입니다. 이 배열은 관류 지수(PI)를 40dB~60dB 향상시키고, 위치 변화에 덜 영향을 받는 더 안정적이고 반복 가능한 판독값을 제공합니다.

반사형 PPG 구성은 포토다이오드(PD)와 LED가 나란히 배치되어야 할 때, 즉 손목 또는 가슴 착용형 웨어러블에서 선호됩니다. 광학 경로와 필터링이 신중하게 관리된다면 이 구성도 정확한 데이터를 제공할 수 있습니다.

그림 1. LED-PD 구성. (출처: Analog Devices)

센서 위치와 관류 지수

센서가 손목이나 가슴에 배치되면 PPG 아날로그 프론트엔드(AFE)는 더 깊은 동맥, 피하 조직, 피부, 뼈로 인해 신호의 DC 성분이 증폭되므로 더 큰 다이나믹 레인지를 수용해야 합니다. 손목 착용형 SpO₂ 기기의 일반적인 PI인 1%~2%는 기계적 최적화나 더 넓은 AFE 범위를 통해 알고리즘 불확실성을 줄여야 합니다.

LED-PD 간격은 PI에 결정적인 영향을 미칩니다. 너무 가까우면 크로스토크나 후방 산란이 증가하여 원치 않는 DC 성분이 추가되고 AFE를 포화시킬 수 있습니다. 더 큰 간격은 이러한 효과를 완화하지만 전류 변환 비율(CTR)을 낮춰 신호 효율을 떨어뜨리고 더 높은 LED 구동 전류를 필요로 할 수 있습니다.

LED를 빠르게 펄싱(단일 또는 다중 LED 버스트)하면 1/f 노이즈를 줄이고 수신단에서 동기화된 변조를 가능하게 하여 주변광 간섭을 효과적으로 제거합니다. 펄스 수를 늘리면 평균 전류 소비를 낮게 유지하면서 PD 신호 진폭을 높입니다. PD 면적을 확대하면 더 많은 반사광을 포착하여 CTR을 개선합니다.

심박수(HR) PPG는 보통 하나의 큰 PD와 여러 저전력 녹색 LED를 사용합니다. 녹색 LED는 우수한 모션 아티팩트 제거 성능을 보이지만 적색이나 IR LED보다 더 높은 순방향 전압과 구동 전력을 필요로 합니다. 여러 파장이 필요한 대부분의 SpO₂ 시스템은 따라서 여러 PD로 둘러싸인 녹색-적색-IR LED 어레이를 채택합니다. Analog Devices VSM 워치(그림 2)는 최적화된 LED-PD 간격과 크로스토크와 후방 산란을 줄이는 배플 설계로 이 접근법을 예시합니다.

그림 2. ADI VSM 워치 V4, 배플, LED-PD 어레이. (출처: Analog Devices)

ADI VSM 워치의 여러 프로토타입을 평가하여 HR과 SpO₂ 측정을 결합한 가장 효율적인 LED-PD 간격을 결정했습니다.

모션 아티팩트

모션은 PPG 측정에서 가장 어려운 과제 중 하나입니다. 움직임은 혈관 폭과 압력을 변화시켜 PD가 흡수하는 빛의 양을 바꿉니다. 이상적인 시나리오(무한히 넓은 PD가 무한한 조직 깊이를 커버)에서는 모션 아티팩트가 나타나지 않습니다. 실제로는 PD 면적을 늘리고 신중한 필터링을 통해 아티팩트 영향을 줄일 수 있지만, AFE는 대역폭을 유지하기 위해 낮은 커패시턴스도 유지해야 합니다.

일반적인 PPG 주파수는 0.5Hz~5Hz 범위인 반면, 모션 아티팩트는 0.01Hz~10Hz에 걸칩니다. 기존 대역통과 필터로는 이 중첩된 성분을 분리할 수 없으며, 대신 고해상도 모션 데이터를 입력하는 적응형 필터가 필요합니다. Analog Devices의 ADXL362 3축 가속도계는 8g 범위에서 1mg 해상도를 제공하면서 100Hz에서 3.6µW만 소모하며, 3mm×3mm 패키지로 필요한 모션 메트릭을 제공합니다.

광학 AFE

손목 착용형 SpO₂ 디바이스는 독특한 과제에 직면합니다: PD가 수신하는 전체 빛에서 관심 있는 AC 신호가 단 1%~2%에 불과합니다. 이러한 조건에서 의료 등급 정확도를 달성하려면 주변광 침입을 최소화하고 LED 드라이버 및 AFE 노이즈를 줄이는 고다이나믹 레인지 AFE가 필요합니다.

Analog Devices의 ADPD4100(및 ADPD4101) 같은 차세대 광학 AFE는 최대 100dB SNR을 제공합니다. 이 통합 프론트엔드는 8개의 저노이즈 전류 소스와 8개의 개별 PD 입력을 탑재합니다. 디지털 타이밍 컨트롤러는 12개의 프로그래머블 슬롯을 제공하여 개발자가 LED 전류, 아날로그/디지털 필터링, 적분 타이밍, 기타 파라미터를 커스터마이즈할 수 있게 합니다.

마이크로와트(µW)당 SNR 최적화는 배터리 구동 연속 모니터링에 필수적입니다. ADPD4100은 연속 PPG 획득 시 LED 전력을 포함해 30µW만 소모하면서 25Hz에서 75dB SNR을 달성할 수 있습니다. 샘플당 펄스 수를 늘리면 SNR이 √n으로 향상되고, LED 구동 전류를 높이면 SNR이 비례하여 확장됩니다. 총 시스템 소모 1µW로 4V LED 전원 공급 시 93dB SNR에 도달할 수 있습니다.

자동 주변광 제거는 호스트 마이크로컨트롤러의 책임을 단순화하며, 1µs LED 펄스와 대역통과 필터를 통해 60dB의 광 분리를 제공합니다. ADPD4100은 PD의 다크 전류(LED 오프 상태)를 계산하여 온 상태 측정에서 빼서 주변광, 이득 오차, 드리프트를 제거할 수도 있습니다.

EVAL-ADPD4100-4101 웨어러블 평가 키트와 ADI Vital Signs Monitoring Study Watch 같은 도구로 개발이 간소화됩니다. 이 플랫폼들은 ADI WaveTool 애플리케이션과 원활하게 통합되어 생체임피던스, ECG, PPG 심박수, 다중 파장 SpO₂ 측정을 가능하게 합니다. 내장된 자동 이득 제어(AGC) 알고리즘이 트랜스임피던스 증폭기(TIA) 이득과 LED 전류를 동적으로 조정하여 파장 전반에 걸쳐 최적의 AC 다이나믹 레인지를 유지합니다.

손가락과 귓불 SpO₂ 측정은 뼈와 조직 두께가 줄어들어 더 높은 SNR과 감소된 DC 성분으로 정확도가 향상되므로 본질적으로 설계가 더 쉽습니다.

이러한 애플리케이션을 위해 ADPD144RI 같은 센서 모듈과 ADPD1080 같은 프론트엔드가 빠른 프로토타이핑을 가능하게 합니다. ADPD144RI는 660nm 적색 LED, 880nm IR LED, 4개의 PD를 2.8mm×5mm 패키지에 담아 최대 SNR을 위한 최적화된 간격을 가집니다. ADPD1080은 3개의 LED 드라이버와 2개의 PD 입력을 2.5mm×1.4mm WLLCSP에 통합하여 콤팩트한 저채널 수 설계에 이상적입니다.

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

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

참고문헌

1. Toshiyo Tamura. "Current Progress of Photoplethysmography and SpO₂ for Health Monitoring." Biomedical Engineering Letters, 2019년 2월.
2. Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken-Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka, Takehiro Yamakoshi. "Comparison Between Red, Green and Blue Light Reflection Photoplethysmography for Heart Rate Monitoring During Motion." 2013 5th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2013년 7월.

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