Atténuation de la lumière ambiante vive dans les moniteurs de fréquence cardiaque

L'utilisation d'un amplificateur de transimpédance à couplage CA peut grandement améliorer la LED verte- immunité des capteurs de rythme cardiaque éclairés au bruit et à d'autres entrées environnementales étrangères.

Grâce à leur simplicité et à leur faible coût, les capteurs de rythme cardiaque à éclairage LED vert sont désormais presque omniprésents, que l'on trouve dans la plupart des produits de santé grand public ainsi que dans de nombreux téléphones et montres-bracelets. Mais, malgré tous leurs avantages, j'ai observé qu'ils sont fréquemment affectés par des facteurs environnementaux qui réduisent leur précision et, dans certains cas, leur capacité à prendre des mesures.

Ces facteurs incluent la sensibilité au placement des doigts, les variations de la distance entre la source LED et le capteur et l'incursion de la lumière ambiante. Cela m'a amené à penser à fabriquer un amplificateur à transimpédance (TIA) couplé en courant alternatif qui serait beaucoup moins sensible à la lumière ambiante vive, telle que la lumière du soleil ou une ampoule à incandescence de 100 W à proximité du capteur photodiode.

La simulation a montré que l'idée fonctionnait bien et que le courant continu dans la photodiode (modélisé comme une source de courant alternatif avec une polarisation de décalage continu pour simuler la réponse de la lumière ambiante) était rejeté par le couplage alternatif aux entrées TIA.

Figure 1 : TIA couplé en courant alternatif avec un niveau de référence à faible bruit de 2,5 V.

Pour vérifier la simulation, j'ai conçu un circuit préliminaire en utilisant les composants que j'avais déjà sous la main, notamment une photodiode Yi T1-3/4 ou 5 mm « bullet » et une LED verte générique. Les deux appareils étaient logés dans des boîtiers à montage en surface qui fonctionneraient aussi bien pour de courtes distances. Si une détection d'impulsions à plus longue distance est nécessaire, il peut être nécessaire d'utiliser des pièces comprenant des lentilles dans les boîtiers CMS pour réduire le champ de vision.

Le circuit résultant a démontré une bonne sensibilité aux impulsions avec mon poignet à une distance allant jusqu'à six pouces de la configuration photodiode/LED, même lorsqu'une ampoule à incandescence de 100 W était positionnée aussi près que possible de la photodiode (sans bloquer le chemin optique vers mon poignet entre la photodiode et la LED). De même, la sensibilité du nouveau circuit aux mouvements du corps (mon poignet) était minime.

Ceci est le circuit complet tel que simulé, y compris un filtre passe-haut et passe-bas, construit et testé pour les résultats ci-dessus :

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Figure 2 :Le circuit TIA complet comprend un filtre passe-bande, qui aide à réduire sa sensibilité aux mouvements du corps et aux variations rapides de la lumière ambiante. Comme indiqué, la réponse du circuit est de -3dB de 48bpm à 390bpm.

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Figure 3 : Réponse de sortie du filtre à un courant alternatif de photodiode de 1 nA à 0,5 Hz ou un stimulus de 120 bpm.

Le TIA implémenté ici est assez insensible aux variations des composants. J'ai utilisé des résistances avec une tolérance de 5% et des condensateurs avec une tolérance de 10%. L'entrée AC symétrique et le filtre passe-bas permettent une excellente réjection du bruit induit par la ligne AC.

En conséquence, je n'ai vu aucun « bourdonnement » dans le signal de sortie lorsque j'ai rapproché ma peau du boîtier de la photodiode en plastique et l'a finalement mis en contact. Il n'y a pas de réponse de 120 Hz à la lumière de fond produite par une ampoule de 100 W à proximité. Le circuit n'a pas non plus démontré de réponse à 60 Hz à la proximité de l'ampoule de la photodiode pendant le test de rejet de la lumière ambiante.

Conclusion

De nombreux problèmes courants associés aux capteurs d'impulsions à LED vertes peuvent être réduits ou éliminés en utilisant un amplificateur de transimpédance couplé en courant alternatif dans le circuit photodétecteur. Pour la plupart des applications, les éventuels coûts supplémentaires liés aux composants du TIA sont largement compensés par les gains d'immunité au bruit, de tolérance de position et de plage de détection.

Figure 4 : positions relatives de la LED, de la photodiode et de la surface de la peau.

Références :

• Amplificateurs à photodiodes :Solutions d'amplis op par Jerald Graeme
• Amplificateurs opérationnels :conception et applications par Graeme, Tobey, Huelsman
• Applications des amplificateurs opérationnels :techniques de troisième génération par Graeme

—Dave Conrad est un ingénieur en électronique à la retraite avec de l'expérience dans la conception de l'alimentation, de la vidéo, de l'analogique, du numérique, des signaux mixtes et des logiciels.

>> Cet article a été initialement publié sur notre site frère, EDN .

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