Comment concevoir un meilleur oxymètre de pouls :mise en œuvre

Il est plus important que jamais de concevoir des dispositifs médicaux qui plus pratique à utiliser et consomme moins d'énergie. Cet article traite de la conception et de la mise en œuvre d'un oxymètre de pouls plus efficace.

Dans le premier article de cette série en deux parties, nous avons couvert les spécifications techniques d'un oxymètre de pouls. Dans cet article, nous aborderons des considérations de conception telles que la transmission par rapport à la réflexion, le positionnement du capteur, l'indice de perfusion, les artefacts de mouvement et les spécificités de la conception avec un AFE optique.

Transmissif vs. Réfléchissant

Un signal PPG peut être obtenu en utilisant une configuration LED et PD transmissive ou réfléchissante. Une configuration transmissive mesure la lumière non absorbée qui traverse une partie du corps. Cette configuration est la mieux adaptée aux zones telles que le doigt et le lobe de l'oreille où la mesure bénéficie de la densité capillaire de ces emplacements du corps, ce qui rend les mesures plus stables, répétitives et moins sensibles aux variations de placement. Les configurations transmissives permettent d'obtenir une augmentation de 40 dB à 60 dB de l'indice de perfusion.

Les configurations PPG réfléchissantes sont choisies lorsque le PD et la LED doivent être placés l'un à côté de l'autre pour des raisons pratiques, comme avec des appareils portés au poignet ou à la poitrine.

Figure 1. Configuration LED-PD. (Source :Appareils analogiques)

Positionnement du capteur et indice de perfusion

Le positionnement sur le poignet et la poitrine nécessite une plus grande plage dynamique dans le PPG AFE car le signal CC est considérablement augmenté en raison de la profondeur des artères sous les composants réfléchissants statiques tels que la peau, la graisse et les os.

Une plus grande résolution dans les mesures PPG réduira l'incertitude dans la SpO₂ algorithme. Avec un IP typique de 1 % à 2 % pour la SpO₂ portée au poignet capteurs, l'objectif de la conception de l'oxymètre de pouls est d'augmenter le PI grâce à la conception mécanique ou d'augmenter la plage dynamique.

L'espacement de la LED à PD aura un effet majeur sur le PI. Un espacement trop faible augmentera la diaphonie ou la rétrodiffusion LED vers PD. Cela apparaîtra comme un signal CC et saturera l'AFE.

L'augmentation de cet espacement réduit l'effet à la fois de la rétrodiffusion et de la diaphonie, mais réduit également le rapport du transformateur de courant (CTR), qui correspond à la sortie LED du courant de retour PD. Cela affectera l'efficacité du système PPG et nécessitera une plus grande puissance de LED pour maximiser la plage dynamique AFE.

L'impulsion rapide d'une ou plusieurs LED a l'avantage de réduire la contribution du bruit 1/f au signal global. L'impulsion des LED permet également d'utiliser une modulation synchronisée du côté réception pour annuler les interférences de la lumière ambiante. L'intégration de plusieurs impulsions augmente l'amplitude du signal PD et réduit la consommation moyenne de courant. L'augmentation de la zone PD totale augmente également le CTR à mesure qu'une plus grande partie de la lumière réfléchissante est capturée.

Pour la mesure de la fréquence cardiaque PPG, une combinaison d'un seul grand PD et de plusieurs LED vertes écoénergétiques a été adoptée par de nombreux fabricants d'appareils de fréquence cardiaque pour être utilisée dans des endroits où le flux sanguin est limité. Les LED vertes sont choisies en raison de leur rejet élevé des artefacts de mouvement. Cependant, cela se fait au prix de l'électricité. Les LED vertes ont une tension directe plus élevée que le rouge et l'IR et une absorbance élevée dans les tissus humains, ce qui signifie qu'une puissance LED plus élevée est nécessaire pour renvoyer des informations cardiaques significatives.

En tant que SpO₂ nécessite plusieurs longueurs d'onde et la plupart des systèmes intègrent toujours des LED vertes à haute efficacité pour le HR PPG, la configuration la plus courante pour HR et SpO₂ Les systèmes PPG sont constitués d'un seul réseau de LED verte, rouge et IR entouré de plusieurs PD, comme le montre la montre ADI VSM de la figure 2. L'espacement PD à LED a été optimisé pour réduire la rétrodiffusion et la conception du déflecteur réduit la diaphonie LED à PD.

Figure 2. ADI VSM watch V4, baffle et LED DP array. (Source :Appareils analogiques)

Plusieurs prototypes de la montre ADI VSM ont été testés pour vérifier l'espacement PD à LED le plus efficace pour notre HR PPG et SpO₂ mesure.

Artefacts de mouvement

Les artefacts de mouvement constituent l'un des plus grands défis de conception d'un système de mesure PPG. Lorsqu'un mouvement est présent, la largeur des artères et des veines change en raison de la pression. La quantité de lumière absorbée par la photodiode change et cela est présent sur le signal PPG car les photons sont absorbés ou réfléchis différemment que lorsqu'un corps est au repos.

Pour une zone de photodiode infiniment large couvrant un échantillon de tissu profond infiniment long, tous les photons seront finalement réfléchis vers la photodiode. Dans ce cas, aucun artefact dû au mouvement ne sera détecté. Ceci, cependant, ne peut pas être atteint; la solution consiste à augmenter la surface de la photodiode tout en tenant compte de la capacité, en réduisant l'AFE et en filtrant les artefacts de mouvement.

La fréquence normale d'un signal PPG est comprise entre 0,5 Hz et 5 Hz, tandis que les artefacts de mouvement sont généralement compris entre 0,01 Hz et 10 Hz. De simples techniques de filtrage passe-bande ne peuvent pas être utilisées pour supprimer les artefacts de mouvement du signal PPG. Pour obtenir une annulation de mouvement de haute précision, un filtre adaptatif doit être fourni avec des données de mouvement très précises. Pour cela, Analog Devices a développé l'accéléromètre 3 axes ADXL362. Cet accéléromètre fournit 1 mg résolution jusqu'à 8 g de portée tout en consommant seulement 3,6 μW à 100 Hz et est disponible dans un boîtier de 3 mm × 3 mm.

AFE optique

Le positionnement de l'oxymètre de pouls génère plusieurs défis. SpO₂ au poignet Les appareils présentent des défis de conception supplémentaires, car le signal CA d'intérêt ne représente que 1 à 2 % de la lumière totale reçue sur le PD. Pour obtenir une certification de qualité médicale et faire la distinction entre de légères variations dans les niveaux d'oxyhémoglobine, une plage dynamique plus élevée sur le signal CA est requise. Ceci peut être réalisé en réduisant les interférences de la lumière ambiante et en diminuant le pilote LED et le bruit AFE.

Une plage dynamique accrue est essentielle pour mesurer la SpO₂ dans des scénarios de faible perfusion, et les AFE optiques de nouvelle génération comme les dispositifs analogiques ADPD4100 (et ADPD4101) atteignent jusqu'à 100 dB SNR. Cet AFE optique intégré possède huit sources de courant à faible bruit intégrées et huit entrées PD séparées. Le contrôleur de synchronisation numérique dispose de 12 créneaux de synchronisation programmables qui permettent à l'utilisateur de définir un ensemble de séquences PD et LED avec un courant de LED spécifique, un filtrage analogique et numérique, des options d'intégration et des contraintes de synchronisation.

L'augmentation du SNR/μW est un paramètre important pour la surveillance continue alimentée par batterie. Cette mesure clé a été corrigée en augmentant la plage dynamique AFE tout en réduisant la consommation de courant AFE. L'ADPD4100, par exemple, a une consommation électrique totale de seulement 30 μW pour une mesure PPG continue de 75 dB, 25 Hz, y compris l'alimentation LED. L'augmentation du nombre d'impulsions par échantillon (n) entraînera une augmentation (√n) du SNR tandis que l'augmentation du courant d'entraînement de la LED entraînera une augmentation proportionnelle du SNR. La consommation totale du système de 1 μW restituera un SNR de 93 dB pour une mesure PPG continue à l'aide d'une alimentation LED de 4 V.

La réjection automatique de la lumière ambiante réduit la charge sur le microprocesseur hôte tout en atteignant 60 dB de réjection de la lumière. Ceci est réalisé en utilisant des impulsions LED aussi rapides que 1 s en conjonction avec un filtre passe-bande pour rejeter les interférences. Dans certains modes de fonctionnement, l'ADPD4100 calcule automatiquement le courant d'obscurité de la photodiode ou l'état éteint de la LED. Ce résultat est soustrait de l'état allumé de la LED avant la conversion dans l'ADC pour supprimer la lumière ambiante ainsi que les erreurs de gain et la dérive dans la photodiode.

La conception est encore simplifiée avec des outils de développement spécifiques à l'application. Par exemple, l'ADPD4100 est pris en charge avec le kit d'évaluation portable EVAL-ADPD4100-4101 et la montre d'étude de surveillance des signes vitaux ADI. Ce matériel se connecte de manière transparente à l'application ADI Wavetool pour permettre les mesures de bioimpédance, d'ECG, de fréquence cardiaque PPG et de PPG multi-longueurs d'onde pour SpO₂ développement. Un algorithme de contrôle automatique de gain (AGC) est intégré à la montre d'étude qui ajuste le gain TIA et le courant LED pour fournir une plage dynamique de signal AC optimale pour toutes les longueurs d'onde LED sélectionnées.

SpO₂ basée sur les doigts et le lobe de l'oreille les lectures sont les plus faciles à concevoir car le rapport signal sur bruit est plus élevé que le positionnement basé sur le poignet ou la poitrine en raison de la réduction des os et des tissus, ce qui réduit également la contribution de la composante CC.

Pour de telles applications, un module de capteur optique comme l'ADPD144RI et un frontal photométrique comme l'ADPD1080 permettent aux développeurs d'éviter rapidement les défis de conception associés au placement et à l'espacement des LED et des PD pour obtenir des rapports puissance/bruit optimaux. Cela est possible car le capteur optique intègre une LED rouge 660 nm, une LED IR 880 nm et quatre PD dans un boîtier de 2,8 mm × 5 mm. L'espacement entre les LED et PD a été optimisé pour donner le meilleur rapport signal/bruit pour SpO₂ mesures PPG de haute précision. L'appareil a également été optimisé mécaniquement pour réduire autant que possible la diaphonie optique, même lorsque le capteur est placé sous une seule fenêtre en verre.

L'ADPD1080 est un AFE optique intégré avec trois canaux d'entraînement LED et deux canaux d'entrée de courant PD dans un WLLCSP à 17 billes, 2,5 mm × 1,4 mm. Cet AFE fonctionne bien pour les produits PPG à faible nombre de canaux de conception personnalisée où l'espace sur la carte est critique.

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Figure 3. Schéma fonctionnel ADPD410X. (Source :Appareils analogiques)

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Figure 4. Mesure simultanée du PPG rouge (droite) et IR (gauche) ADPD4100. (Source :Appareils analogiques)

Références

1. Toshiyo Tamura. « Progrès actuels de la photopléthysmographie et de la SpO2 pour la surveillance de la santé ». Lettres de génie biomédical , février 2019.
2. Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken-Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka et Takehiro Yamakoshi. « Comparaison entre la photopléthysmographie par réflexion de la lumière rouge verte et bleue pour la surveillance de la fréquence cardiaque pendant le mouvement. » 2013 3 5e Conférence internationale annuelle de l'IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) , juillet 2013.

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Robert Finnerty est ingénieur d'applications système chez Analog Devices où il travaille au sein du Digital Healthcare Group basé à Limerick, en Irlande. Il travaille en étroite collaboration avec le Vital Signs Monitoring Group, en se concentrant sur les solutions de mesure optique et d'impédance. Rob a rejoint le groupe des convertisseurs de précision au sein d'ADI en 2012 et s'est concentré sur la mesure de précision à faible bande passante. Il est titulaire d'un baccalauréat en génie électronique et électrique (B.E.E.E) de l'Université nationale d'Irlande Galway (NUIG). Il peut être contacté à [email protected].

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