Messungen Mehrfache Vitalparameter einfach überwachen

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Analog Devices

Wearables können verschiedene Vital- und Gesundheitsparameter überwachen. Das Hinzufügen mehrerer Sensorfunktionen zu derart kleinen Geräten ist jedoch mit großen Herausforderungen verbunden. Einchip-Front-End-Lösungen bieten als ein einziger Überwachungs-Hub für mehrere Vitalparameter große Vorteile.

Insbesondere die Covid-19-Pandemie hat eine Nachfragewelle für Geräte ausgelöst, die mehrere Vitalparameter (VSM, vital signs monitoring) gleichzeitig überwachen können, und zwar sowohl in Krankenhäusern als auch zuhause. Die smarten, am Körper tragbaren Geräte, so genannte Wearables, ermöglichen die Überwachung von Gesundheitsparametern, wie Körpertemperatur, Herzschlag- und Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung des Blutes (SpO₂), Blutdruck und Körperzustand. Um die Nachfrage zu befriedigen und diese Geräte für breite Bevölkerungsschichten verfügbar zu machen, müssen die Entwickler Anforderungen wie Kosten, Ausmaße und Stromverbrauch beachten.

Integrierte Schaltkreise zur Wandlung analoger Signale, so genannte Analog-Front-Ends (AFE), wie ADPD4100/ADPD4101 von Analog Devices, demonstrieren ihre Vorteile als ein einziger Überwachungs-Hub für mehrere Vitalparameter. Ein Design mit nur einem AFE reduziert die Anzahl der integrierten Schaltkreise (Integrated Circuit, IC) in Multiparameter-VSM-Systemen und verringert damit signifikant Kosten und Ausmaße.

AFEs in zwei Varianten

Die multimodalen Sensor-AFEs von Analog Devices besitzen acht Eingänge, die bis zu zwölf programmierbare Zeitfenster unterstützen. Diese zwölf Zeitfenster ermöglichen zwölf separate Messungen in einer Abtastperiode. Die acht analogen Eingänge sind in einen einzigen Kanal oder zwei unabhängige Kanäle gemultiplext, was die simultane Abtastung von zwei Sensoren erlaubt, entweder in einer referenzbezogenen oder differentiellen Konfiguration. Es gibt acht LED-Treiber, die bis zu vier LEDs gleichzeitig treiben können. Diese LED-Treiber sind Stromsenker und unabhängig von Versorgungsspannung und LED-Typ.

Zur Spannungsversorgung stehen zwei gepulste Spannungsquellen zur Verfügung. Der Signalpfad der AFEs besteht aus Transimpedanzverstärker (TIA), Bandpassfilter (BPF), Integrator (INT) und Analog-Digital-Wandlerstufe. Der digitale Funktionsblock hat mehrere Betriebsarten, programmierbares Timing, universelle Ein-/Ausgangs-Steuerung (GPIO), Blockmittelung und ein zweites, von 4. auf 2. Ordnung kaskadiertes Integrator-Comb-Filter (CIC). Die Daten werden direkt oder nach der FIFO-Methode (first in, first out) aus dem Datenregister ausgelesen.

Analog Devices bietet zwei Varianten dieses AFEs an: ADPD4100 besitzt einen SPI-Port, ADPD4101 besitzt eine I²C-Kommunikationsschnittstelle. Ein Vorteil der AFEs sind optische Messungen. Kombiniert mit dem BPF, nutzt die automatische Umgebungslichtunterdrückung in einem synchronen Modulationsverfahren Pulse von 1 µs Dauer. Dadurch müssen keine externen Steuerschleifen eingesetzt, Gleichspannungsanteile abgezogen oder digitale Algorithmen verwendet werden. Ein Reduktionsfaktor größer eins kann genutzt werden, um den SNR des Ausgangs zu verbessern. Es gibt auch eine Unterabtastungsfunktion, die es ausgewählten Zeitfenstern erlaubt, mit einer geringeren als der programmierten Abtastrate zu laufen, um dort Strom zu sparen, wo der Strombedarf proportional zur Abtastrate ist. Des Weiteren gibt es eine TIA-Deckenerkennungsfunktion, die Spannungskomparatoren am Ausgang des TIA nutzt, um ein Interrupt-Bit zu setzen, wenn der TIA-Ausgang seine typischen Betriebsbereichsgrenzen überschreitet.

Die AFEs sind ein Hub für verschiedene elektrische und optische Sensoren in Wearables zur Überwachung von Herzschlagfrequenz und ihrer Variation (HRV = ­heart rate variability), Bestimmung des Blutdrucks, Stress- und Schlafüberwachung sowie für SpO₂-Messungen. Diese mehrfachen Betriebsarten des VSM-AFE können unterschiedliche Sensormessungen durchführen, wie Photoplethysmographie (PPG), Elektrokardiogramm (EKG), elektrodermale Aktivität (EDA), Körperzustand, Atmung, Temperatur sowie Umgebungslichtmessungen in Gesundheitsapplikationen.

PPG-Messung

Die PPG-Messung erfasst die Änderung der Blutmenge im mikrovaskularen Gewebe, die mit jedem Herzzyklus einhergeht. Die vollständige Absorption von Licht hängt mit der Änderung des Blutvolumens der systolischen und diastolischen Perioden zusammen, die ein PPG-Signal generieren. Die PPG-Messung wird mit dem Anlegen eines LED-Lichtpulses in das menschliche Gewebe und Erfassen des resultierenden reflektierten/übertragenen Lichts mit einer Fotodiode durchgeführt, die Licht in Fotostrom umwandelt.

Die ADPD4100/ADPD4101 verarbeiten und messen den Fotostrom und erzeugen das digitale PPG-Signal. Ohne Änderung der Hardware-Verbindung kann das AFE flexibel konfiguriert werden, um in vier verschiedenen Betriebsarten für unterschiedliche PPG-Messungen zu arbeiten:

Kontinuierlicher Verbindungsmodus (continuous connect mode):
Der kontinuierliche Verbindungsmodus ist die typische Betriebsart für PPG-Messungen. Er bietet die beste Unterdrückung des Umgebungslichts und einen hohen SNR. Er arbeitet gut bei einem Pegel der Ladungsübertragung (CTR = charge transfer ratio, Fotostrom über LED-Strom) von 5 bis 10 nA/mA und liefert 95 bis 100 dB DC-SNR. Diese Werte können gesteigert werden, wenn man den Reduktionsfaktor erhöht. Dieser Modus nutzt den vollen analogen Signalpfad, TIA + BPF + A/D-Wandler. Die ankommende Ladung wird einmal pro A/D-Wandlung integriert. Bei einem einmaligen Stimuli-Ereignis, wie der PPG, wird der größte Teil des Dynamikbereichs des Integrators genutzt, wenn die Ladung der Sensorantwort integriert wird. Der TIA ist dabei nach der Vorkonditionierungsphase kontinuierlich mit den Eingängen verbunden, weswegen das Eingangssignal nicht moduliert wird.

Um das Rauschen zu reduzieren ist die Anode der Fotodiode auf die Referenzspannung des TIA vorkonditioniert (TIA_V_REF). TIA_V_REF ist typischerweise auf 1,27 V eingestellt, um den größten Dynamikbereich des TIA zu erhalten. Die Kathode der Fotodiode ist mit dem Pin einer Kathodenspannungsquelle (VCx) verbunden, und der Baustein ist üblicherweise so eingestellt, dass er TIA_V_REF + 215 mV an die Kathode der Fotodiode liefert, um 215 mV Sperrspannung an der Fotodiode zu erzeugen. Dies reduziert das Rauschen im Signalpfad sowie die Kapazität der Fotodiode. In dieser Betriebsart ist eine übliche Pulsbreite der LEDs 2 µs.

Kurze LED-Lichtpulse bieten die beste Unterdrückung des Umgebungslichts. Der Einsatz mehrerer LED-Pulse erhöht den SNR bei jeder Verdoppelung der Pulsanzahl um 3 dB. Das Integrator-Chopping ist typischerweise aktiv, um den höchsten SNR zu erhalten, da das „Zerhacken“ den Anteil des Niederfrequenzrauschens vom Integrator eliminiert. Die Wahl einer höheren TIA-Verstärkung resultiert in einem geringeren eingangsbezogenen Rauschen, vermindert aber auch den Dynamikbereich des TIA. Der Dynamikbereich des TIA wird folgendermaßen berechnet: Dynamikbereich = (TIA_V_REF)/(TIA gain). Um den Sättigungsbereich des A/D-Wandlers zu erhöhen kann entweder die TIA-Verstärkung gesenkt, oder der Widerstand des Integrators erhöht werden. Ein höherer Widerstand des Integrators resultiert in geringerem Rauschen, die Auswahl eines niedrigeren Integratorwiderstands steigert verfügbare Marge für das Umgebungslicht.

Mehrfacher Integrationsmodus (multiple integrations mode):
Der multiple Integrationsmodus entspricht dem kontinuierlichen Verbindungsmodus, außer dass die eintreffende Ladung mehrere Male pro A/D-Wandlung integriert wird. Dieser Modus ist nützlich für einen hohen SNR bei geringen Lichtverhältnissen, weil er nur einen kleinen Teil, häufig weniger als 50 Prozent des Dynamikbereichs pro Stimuli nutzt. Deshalb erlaubt er wegen der mehrfachen Integration vor der A/D-Wandlung die Nutzung eines größeren Anteils des Integrator-Dynamikbereichs. Jede Verdoppelung der Integrationen pro A/D-Wandlung ergibt eine 3-dB-Steigerung des SNR, was den gleichen Effekt hat wie die Verdoppelung der Anzahl der Pulse. Da diese Betriebsart typisch für kleine Eingangssignale ist, wird die größte TIA-Verstärkung gewählt. Dieser Modus wird in den Fällen eingesetzt, in denen ein CTR kleiner als 5 nA/mA und eine gute Unterdrückung des Umgebungslichts benötigt werden.

Schwebemodus (float mode):
Der Schwebe-Modus wird ebenfalls bei geringen Lichtverhältnissen eingesetzt, um einen hohen SNR zu erreichen. Er erlaubt eine rauschfreie Aufladung der Fotodiode. Die Fotodiode ist dabei zunächst vom AFE getrennt – „schwebt“ daher – und lädt sich durch das Licht rauschfrei auf. Dann wird das AFE wieder mit der Fotodiode verbunden und die Ladung der Fotodiode fließt in das AFE. Dabei erfolgt die Integration auf eine Weise, die es erlaubt, die maximale Ladung pro Puls zu verarbeiten. Es wird nur ein Minimum an Rauschen durch den Signalpfad eingespeist. Die Entladung erfolgt schnell mit kurzen Modulationspulsen; deshalb ist das durch den Signalpfad eingefügte Rauschen kleiner. Die Schwebe-Zeit kann ebenfalls verlängert werden, um höhere Signalpegel zu erzeugen, es gibt jedoch eine Begrenzung für die Ladungsmenge, die die Kapazität der Fotodiode aufnehmen kann.

In diesem Modus wird das Bandpassfilter (BPF) überbrückt. Denn, wenn die Ladung von der Fotodiode durch Modulieren der Verbindung zum TIA transferiert wird, kann die Form des generierten Signals abhängig von Bausteinen und Konditionen variieren. Um das Signal in der Integrationssequenz zuverlässig anzulegen, muss das BPF überbrückt werden. Diese Betriebsart liefert keine gute Unterdrückung des Umgebungslichts und ist von der Kapazität der Fotodiode eingeschränkt, bietet aber eine stromsparende und rauschärmere Messung bei sehr geringen Lichtverhältnissen.

Digitaler Integrationsmodus:
Alle bisher erwähnten Betriebsarten nutzen den Integrator, um die eintreffende Ladung zu integrieren. Die digitale Integration der Abtastungen des A/D-Wandlers ist mit dem digitalen Integrations-Modus ebenfalls möglich. Um eine digitale Integration durchzuführen, wird der Integrator in einen Buffer umgewandelt. Die digitale Integration arbeitet in zwei Bereichen: In der Hell-Region ist die LED gepulst und der dunkle Bereich der LED ist ausgeschaltet. Die Abtastungen des A/D-Wandlers werden mit 1-µs-Intervallen innerhalb der Hell- und Dunkel-Regionen aufgenommen und digital integriert. Das Signal wird durch das Subtrahieren der integrierten Dunkelabtastungen von den Hellabtastungen erzeugt. Diese Betriebsart kann längere LED-Pulse unterstützen und ist deshalb die typische Betriebsart, wenn die Fotodiode eine langsamere Ansprechzeit aufweist und längere Pulse benötigt. Das BPF ist dabei überbrückt und ausgeschaltet. Der digitale Integrations-Modus besitzt den besten Wirkungsgrad und resultiert im höchsten erreichbaren SNR.

Die Unterdrückung des Umgebungslichts ist jedoch wegen der längeren LED-Pulse und Überbrückung des BPF unzureichender als im kontinuierlich verbundenen Modus. Der digitale Integrations-Modus kann auch kein simultanes Abtasten von zwei Kanälen im selben Zeitfenster unterstützen. Mit der digitalen Integration erzielt man einen SNR von 100+ dB DC-SNR.

Der digitale Integrations-Modus kann gewählt werden, wenn die Fotodiode wegen der langsameren Ansprechzeit längere Pulse erfordert, oder, wenn es keine Notwendigkeit der simultanen Abtastung von zwei Kanälen innerhalb eines Zeitfensters gibt. Wenn das Umgebungslicht kein Problem darstellt und der Ziel-DC-SNR über 85 dB liegt, ergibt die Wahl des digitalen Integrations-Modus einen hohen Wirkungsgrad.

PPG-Applikationen

Aufgrund der Covid-19-Pandemie wurden PPG-Applikationen zur Gesundheitsdiagnose und zur Überwachung von Vitalparametern immer wichtiger. Darüber hinaus sind mehrere Messgrößen für die Erfassung wichtig. Einige Messungen für Schlüssel-Vitalparameter beinhalten z. B. die Überwachung des Herzschlags (HMR) und seiner Variation sowie Sauerstoffsättigung. Diese können mit Pulsoximetrie und Blutdruck gemessen werden.

Pulsoximetrie – SpO₂-Messung

Die optische und nicht-invasive SpO₂-Überwachung, auch bekannt als Pulsoximetrie, wurde besonders wertvoll zur Erfassung von Sauerstoffmangel bei Patienten mit Covid-19. Pulsoximetrie wird mit roten LEDs (typisch 660 nm Wellenlänge) und Infrarot-LEDs (typisch 940 nm Wellenlänge) durchgeführt. Sauerstoffarmes (deoxigeniertes) Hämoglobin absorbiert mehr Licht der Wellenlänge 660 nm, sauerstoffreiches (oxigeniertes) Hämoglobin absorbiert mehr Licht der Wellenlänge 940 nm. Die Fotodiode erkennt das nicht absorbierte Licht. Das erkannte Signal wird dann in DC- und AC-Komponenten aufgeteilt.

Der DC-Anteil steht für die Absorption des Lichts durch das Gewebe, das venöse Blut und das nicht pulsierende arterielle Blut. Die AC-Komponente repräsentiert das pulsierende Blut in den Arterien. Der prozentuale Anteil der SpO₂ wird dann wie folgt berechnet:

%SpO₂ = (AC_red/DC_red)/(AC_IR/DC_IR).

Zwei Zeitfenster der ADPD4100/ADPD4101 können konfiguriert werden, um die Reaktion auf die roten und IR-LEDs zu messen, um somit die SpO₂ zu berechnen. Die verbleibenden Zeitfenster können so konfiguriert werden, dass die PPG von LEDs mit anderen Wellenlängen gemessen wird. Damit können auch EKG-Messungen durchgeführt sowie Unterbrechungen erkannt (lead-off detection), Atmungsmessungen gemacht und jedes weitere Sensorsignal erfasst werden.

Überwachung der Herzschlagfrequenz

Eine grüne LED mit einer Wellenlänge von rund 540 nm wird allgemein zur Überwachung der Herzschlagfrequenz bevorzugt. Sie ergibt das beste PPG-Signal, da sie einen höheren Modulations-Index besitzt als rote oder IR-LEDs. Zudem hat sie einen angemessen hohen CTR-Pegel, weshalb der Stromverbrauch nicht zu hoch ist.

Der AC-SNR ist ein Parameter der Signalqualität und kann über den DC-SNR-Modulations-Index berechnet werden. Bei einem Modulations-Index von einem Prozent ergeben z. B. 95 dB DC-SNR 55 dB AC-SNR.

EKG-Messung

Die EKG-Messung wurde zur Stichprobenuntersuchung in am Körper tragbare Geräte, wie Uhren, und zur kontinuierlichen Überwachung in aufgeklebte Körpersensoren integriert. Elektroden aus Metall oder anderem leitfähigen Material, die polarisiert sind und als Trockenelektroden bezeichnet werden, sind üblicherweise bei solchen Geräten zu finden. Die Hauptvorteile für eine EKG-Messung mit Trockenelektroden sind die hohe Impedanz des Elektroden-Haut-Kontakts und eine relativ hohe Überspannung.

Auf konventioneller Verstärker-Messtechnik basierende EKG-Lösungen verwenden Buffer, um die hohe Impedanz des Elektroden-Haut-Kontakts zu mindern, die mit der Signaldämpfung zusammenhängt. Die so genannte Right-Leg-Drive-Technik (RLD), die eine dritte Elektrode erfordert und eine Referenzspannung zurück in den Körper treibt, ist in den AFEs implementiert, um die Gleichtaktspannungen von Körper, Elektroden und Kabeln zu unterdrücken.

Wenn sie für EKG-Messungen genutzt werden, verwenden die ADPD4100/ADPD4101-Sensoren eine neue Methode mit einer passiven Widerstand-Kondensator-Schaltung (RC), um der differenziellen Spannung am Elektroden-Paar zu folgen. Die passive RC-Schaltung kann einfach mit drei Komponenten aufgebaut sein, zwei Widerständen R_S und einem Kondensator C_S. Für jede Erfassung der EKG-Daten ist dies ein zweistufiger Prozess.

Die beiden Eingangs-Pins (IN₇ und IN₈) schweben während der Aufladung. Die Ladung des Kondensators C_S ist proportional der differenziellen Spannung an den beiden Elektroden, wenn die Ladezeit >3τ ist. Die Zeitkonstante τ ist durch R_S und C_S definiert: τ=2R_SC_S.

Während der Übertragung der Ladung ist der Kondensator mit dem TIA verbunden und die Ladung wird zur Messung in das AFE übergeben. Diese ladungsbasierte EKG-Messung bietet mehrere Vorteile, wie das Eliminieren der Buffer und der dritten Elektrode für RLD, wodurch sich die Ausmaße des Systems aufgrund weniger externer Komponenten reduzieren und der Stromverbrauch sinkt.

Durch die Flexibilität der ADPD4100/ADPD4101 ist es möglich, diese EKG-Lösung um eine Ableitungserkennung (lead-off detection) zu erweitern, die auf einem Bioimpedanz-Ansatz basiert. Die lead-off detection erfolgt in einem separaten Zeitfenster und hat keinen Einfluss auf die EKG-Messung. Mit dieser DC-gekoppelten Schaltung wird das EKG erneut erfasst, sobald der Elektroden-Haut-Kontakt wiederhergestellt ist.

Impedanzbasierte Atmungsmessung

Die Atmungserfassung mit den ADPD4100/ADPD4101 erkennt die Änderung der Bioimpedanz der Lunge während der Ein- und Ausatmung. Die Messung der Atmung zur Patientenüberwachung in der Intensivstation (ICU) und während des Schlafs erlaubt das Patientenmanagement und rechtzeitige Alarme, um Leben zu retten.

Diese Messung ist wichtig für Patienten mit Atemproblemen und Schlafapnoe.

Wenn der Patient atmet, erweitert sich das Volumen seiner Lunge und verringert sich wieder, was zu Änderungen der Impedanz des Brustkorbs führt. Diese Impedanzänderung kann gemessen werden, indem man einen Strom in einen Pfad am Brustkorb einspeist und den Spannungsabfall misst. EKG und Atmung werden mit Trockenelektroden aus rostfreiem Stahl am rechten und linken Handgelenk gemessen und das PPG mit einer grünen LED. (kb)

* Yigit Yoleri und Guixue (Glen) Bu sind Applications Engineers bei Analog Devices Inc.

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