Conception d'un oxymètre de pouls supérieur : insights d'implémentation

Concevoir des dispositifs médicaux à la fois conviviaux et économes en énergie est crucial aujourd'hui. Cet article détaille les étapes pratiques et les considérations de conception pour construire un oxymètre de pouls de nouvelle génération.

L'article précédent expliquait les spécifications de l'oxymètre ; ici, nous plongeons dans les choix clés de conception – configurations transmissives versus réfléchies, placement optimal du capteur, optimisation de l'indice de perfusion, réduction des artefacts de mouvement, et les nuances de l'intégration d'un front-end analogique optique.

Transmissif vs Réfléchi

Un signal photopléthysmographique (PPG) peut être capturé soit par une disposition LED–PD transmissive, soit réfléchie. En configuration transmissive, la lumière non absorbée traverse la partie du corps, la rendant idéale pour les sites à forte densité capillaire comme le doigt ou le lobe de l'oreille. Cette disposition offre un gain de 40 à 60 dB de l'indice de perfusion (PI) et fournit des lectures plus stables et reproductibles, moins affectées par de petits changements de placement.

Les configurations PPG réfléchies sont préférées lorsque la photodiode (PD) et la LED doivent être côte à côte, comme dans les wearables poignet ou torse. La configuration peut encore fournir des données précises si le chemin optique et le filtrage sont soigneusement gérés.

Figure 1. Configuration LED‑PD. (Source : Analog Devices)

Positionnement du capteur et indice de perfusion

Quand un capteur est placé au poignet ou sur le torse, le front-end analogique (AFE) PPG doit accommoder une plage dynamique plus large car la composante DC du signal est amplifiée par les artères plus profondes, le tissu sous-cutané, la peau et l'os. Un PI plus élevé – typiquement 1 % à 2 % pour les dispositifs SpO₂ portés au poignet – nécessite soit une optimisation mécanique, soit une plage AFE plus large pour réduire l'incertitude algorithmique.

L'espacement LED‑PD influence critiquement le PI. Un écart trop faible augmente le crosstalk ou la rétrodiffusion, ajoutant une composante DC indésirable et risquant de saturer l'AFE. Une séparation plus grande atténue ces effets mais abaisse le rapport de transformation de courant (CTR), ce qui peut réduire l'efficacité du signal et nécessiter des courants de pilotage LED plus élevés.

Pulser les LED rapidement – soit individuellement, soit en rafale multi-LED – réduit le bruit 1/f et permet une modulation synchronisée au récepteur, annulant efficacement l'interférence de lumière ambiante. L'intégration de plusieurs impulsions augmente l'amplitude du signal PD tout en maintenant une consommation moyenne faible. Étendre la surface de la PD améliore aussi le CTR en capturant plus de lumière réfléchie.

La PPG pour la fréquence cardiaque (HR) utilise souvent une grande PD unique associée à plusieurs LED vertes à faible puissance. Les LED vertes offrent une meilleure réjection des artefacts de mouvement mais nécessitent plus de tension directe et de puissance de pilotage que les LED rouges ou IR. La plupart des systèmes SpO₂, nécessitant plusieurs longueurs d'onde, adoptent donc un array LED vert-rouge-IR entouré de plusieurs PD. La montre VSM d'Analog Devices (Figure 2) illustre cette approche, avec un espacement LED‑PD optimisé et un design de baffle réduisant la rétrodiffusion et le crosstalk.

Figure 2. Montre ADI VSM V4, baffle et array LED‑PD. (Source : Analog Devices)

Plusieurs prototypes de la montre ADI VSM ont été évalués pour déterminer l'espacement LED‑PD le plus efficace pour la mesure combinée HR et SpO₂.

Artefacts de mouvement

Le mouvement est l'un des défis les plus redoutables en mesure PPG. Le mouvement modifie la largeur et la pression des vaisseaux, altérant la quantité de lumière absorbée par la PD. Dans un scénario idéal – une PD infiniment large couvrant une profondeur de tissu infinie – aucun artefact de mouvement n'apparaîtrait. Pratiquement, augmenter la surface de la PD et employer un filtrage soigné réduit l'impact des artefacts, mais l'AFE doit aussi maintenir une faible capacitance pour préserver la bande passante.

Les fréquences PPG typiques vont de 0,5 Hz à 5 Hz, tandis que les artefacts de mouvement s'étendent de 0,01 Hz à 10 Hz. Le filtrage passe-bande conventionnel ne peut isoler ces composantes chevauchantes ; des filtres adaptatifs ingérant des données de mouvement haute résolution sont requis. L'accéléromètre 3 axes ADXL362 d'Analog Devices, offrant une résolution de 1 mg sur une plage de 8 g pour seulement 3,6 µW à 100 Hz, fournit les métriques de mouvement nécessaires dans un boîtier 3 mm × 3 mm.

Front-end optique (AFE)

Les dispositifs SpO₂ montés au poignet font face à un obstacle unique : le signal AC d'intérêt ne représente que 1 %–2 % de la lumière totale reçue par la PD. Atteindre une précision médicale sous ces conditions exige un AFE à grande dynamique qui minimise l'intrusion de lumière ambiante et réduit le bruit du driver LED et de l'AFE.

Les AFE optiques de nouvelle génération comme l'ADPD4100 (et ADPD4101) d'Analog Devices délivrent jusqu'à 100 dB de SNR. Ce front-end intégré héberge huit sources de courant à faible bruit et huit entrées PD séparées. Son contrôleur de temporisation numérique offre 12 créneaux programmables, permettant aux développeurs de personnaliser les courants LED, le filtrage analogique et numérique, le timing d'intégration et d'autres paramètres.

Optimiser le SNR par microwatt (µW) est crucial pour la surveillance continue sur batterie. L'ADPD4100 peut atteindre 75 dB SNR à 25 Hz en ne consommant que 30 µW – alimentation LED incluse – pendant l'acquisition PPG continue. Augmenter le nombre d'impulsions par échantillon booste le SNR de √n, et augmenter le courant de pilotage LED fait évoluer le SNR proportionnellement. Une consommation système totale de 1 µW peut atteindre 93 dB SNR avec une alimentation LED 4 V.

La réjection automatique de la lumière ambiante simplifie les responsabilités du microcontrôleur hôte, fournissant 60 dB d'isolation lumineuse via des impulsions LED de 1 µs et un filtre passe-bande. L'ADPD4100 peut aussi calculer le courant d'obscurité de la PD (état LED éteinte) et le soustraire de la mesure état allumé, éliminant lumière ambiante, erreurs de gain et dérive.

Le développement est simplifié par des outils comme le kit d'évaluation portable EVAL‑ADPD4100‑4101 et la montre d'étude des signes vitaux ADI. Ces plateformes s'intègrent parfaitement avec l'application ADI WaveTool, permettant bioimpédance, ECG, PPG fréquence cardiaque et SpO₂ multi-longueurs d'onde. Un algorithme de contrôle de gain automatique (AGC) embarqué ajuste dynamiquement le gain de l'amplificateur transimpédance (TIA) et le courant LED pour maintenir une plage dynamique AC optimale sur toutes les longueurs d'onde.

Les mesures SpO₂ au doigt et au lobe de l'oreille sont intrinsèquement plus faciles à concevoir, car le SNR plus élevé dû à l'épaisseur réduite d'os et de tissu diminue la composante DC et améliore la précision.

Pour de telles applications, des modules capteurs comme l'ADPD144RI et des front-ends comme l'ADPD1080 permettent un prototypage rapide. L'ADPD144RI intègre une LED rouge 660 nm, une LED IR 880 nm et quatre PD dans un boîtier 2,8 mm × 5 mm, avec un espacement optimisé pour un SNR maximal. L'ADPD1080 est un AFE intégré avec trois drivers LED et deux entrées PD en WLLCSP 2,5 mm × 1,4 mm, idéal pour des designs compacts à faible nombre de canaux.

Figure 3. Diagramme de blocs ADPD410X. (Source : Analog Devices)

Figure 4. Mesure PPG simultanée rouge (droite) et IR (gauche) ADPD4100. (Source : Analog Devices)

Références

1. Toshiyo Tamura. « Current Progress of Photoplethysmography and SpO₂ for Health Monitoring. » Biomedical Engineering Letters, février 2019.
2. Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken‑Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka, and 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), juillet 2013.