בחינה מהירה של מסלולי אותות אופטיים בהתקנים לבישים עם מנטרים רבי-פרמטרים

מנטרי בריאות וכושר גופני על התקנים לבישים משתמשים בטכניקות שונות כדי לאסוף ספקטרום רחב של מידע על תנועה, בריאות כוללת ושינה. עבור המתכננים, הבעיה היא להבין כיצד להתאים את הדרישה של המשתמשים הסופיים עבור פונקציונליות רבה יותר במנטרי התקנים לבישים אלו למדידות אוקסימטריית דופק (SpO2), פוטו-פלטיסמוגרפיה (PPG), אלקטרו-קרדיוגרם (ECG), לחץ דם וקצב נשימה. כל פונקציה נוספת מוסיפה לאתגרי השילוב, ניהול הספקת-כוח, ביצועים, משקל, זמן פיתוח והעלויות העומדים בפני המתכננים.

לדוגמא, פתרונות _SpO 2 דורשים בדרך כלל אלקטרוניקה מסובכת עם מספר מעגלים-משולבים (IC) היוצרים מסלול אופטי דרך הגוף באמצעות דיודות פולטות-אור (נורות LED‏), פוטו-חיישנים, מגברי טרנס-אימפדנס (TIA), ממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADC), ואלגוריתמים קשורים. התקני ECG דורשים מעגל אנלוגי רגיש עם רעש נמוך ועם מגבר מכשור קצה-קדמי וממיר ADC. מערכות בדידות אלה משתמשות גם בחומרה נוספת כדי להפחית את השפעות אור הסביבה ולנהל הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). פתרונות אלה אמנם עובדים, אך הם דורשים מקום משמעותי על לוח המעגלים המודפסים וקושחה מותאמת-במיוחד, ובכך מגדילים את העלות ומאריכים את זמן הפיתוח. מה שנדרש הוא פתרון שלם ומשולב יותר הפותר רבות מבעיות תכנון אלו.

מאמר זה מתאר ישויות פיזיות לבישות ומנטר רב-פרמטרים המורכב מדוחפי LED‏, מגברי TIA‏ מסנן מעביר-פס, אינטגרטור וממיר ADC. המאמר מראה כיצד להשתמש במנטר רב-פרמטרים (ADPD4101‏ מבית Analog Devices‏) ולוחות פיתוח קשורים כדי לפשט ולהאיץ את תהליך התכנון.

סקירה כללית של קצה-קדמי אנלוגי

ניטור סימנים חיוניים חורג מגבולות הפרקטיקה הרפואית אל תוך חיי היומיום. בתחילה, ניטור סימנים חיוניים לבריאות היה תחת פיקוח רפואי קפדני בבתי חולים ובמרפאות. תהליכי מיקרו-אלקטרוניקה והחידושים בתכנון מפחיתים עלויות עבור מנטרים לבישים ומאפשרים ניטור טלה-רפואה, ספורט וכושר גופני. עם התרחבות זו להתקנים לבישים, סטנדרטי האיכות הקשורים לבריאות ממשיכים לעמוד בציפיות של מצוינות ברמה גבוהה של המשתמשים.

ניטור סימנים חיוניים כולל מדידת סדרה של פרמטרים פיזיולוגיים היכולים להצביע על בריאותו של אדם. לדוגמה, מדידת _SpO2 מגלה את אחוז החימצון הדם ואת קצב הלב. החיישנים המתאימים עבור התקנים לבישים של _SpO2 הם נורות LED‏ ופוטו-דיודות.

מדידות ECG‏ וביו-אימפדנס קובעות את קצב הלב, הנשימה, לחץ הדם, מוליכות העור והרכב מסת הגוף. הפתרונות עבור סימנים חיוניים אלה חייבים להיות קומפקטיים, חסכוניים באנרגיה ואמינים. ניטור סימנים קריטיים אלה דורש מדידות אופטיות, ביו-פוטנציאל ואימפדנס.

מסלולי אותות של סימנים חיוניים אופטיים

ה- _SpO2 מודד את אחוז סטורציית החמצן בדם וסימנים חיוניים אחרים. מדידת החימצון בדם משתמשת בטכניקת _SpO2‏ אשר מעריכה את העברת האור מנוריות LED דרך רקמת הגוף בתדרים אופטיים שונים. בדיקת _SpO2‏ יכולה לזהות חימצון ירוד המצביע על תחילת מחלות או הפרעות הפוגעות במערכת הנשימה. הנתונים ממדידת _SpO2‏ יכולים גם לאמוד את סטורציית _2‏O‏ האמיתית ואת ריכוז החמצן בדם (_2‏O‏_a‏S‏).

לביצוע מדידת _2‏SpO, המערכת האופטית דורשת מגוון של נוריות LED ופוטו-גלאים. בשרשרת אותות אופיינית עבור מדידות אופטיות יש נוריות LED‏ המייצרות מספר אורכי גל המאפשרים זיהוי כולל של רמת החמצן היחסית בדם. סדרה של פוטו-דיודות סיליקון הופכות את האות האופטי שנקלט מנוריות ה- LED‏ לזרם. ההגברה והמרת ה- ADC של זרם הפוטו-דיודה מייצרים את הרזולוציה והדיוק הנחוצים (איור 1).

איור 1‏: שרשרת האותות עבור בדיקת _SpO2‏ מתחילה באותות מנוריות LED העוברות דרך רקמת הגוף של המטופל. פוטו-דיודה קולטת את אותות רקמת הגוף, וממירה את אור ה- LED לאות זרם פיקו-אמפר (pA). ה- TIA ממיר זרם זה למתח ושולח אותו ל- ADC. (מקור התמונה: Analog Devices, התאמות על ידי Bonnie Baker)

בדיקת ₂SpO‏ משתמשת בנוריות LED אינפרה-אדום באורך-גל של 940 ננומטר (nm‏) ובנוריות LED אדום באורך-גל של nm‏ 660‏. עם אורך-גל IR של nm‏ 940‏, המוגלובין מחומצן סופג יותר מאור ה- IR. המוגלובין לא-מחומצן סופג יותר מאור באורך-גל אדום של nm‏ 660‏. הפוטו-דיודה קולטת את האור משתי נוריות ה- LED‏ שלא-נספג באופן בלתי-תלוי. עם זאת, נוריות LED אלו אינן פולטות אור באותו הזמן. יש רצף של פולסים לנוריות כדי להבטיח ששגיאות ההצלבה תהיינה זניחות (איור 2).

איור 2‏: תזמון ציוד ה- _SpO2‏ של נורית LED‏ nm‏ 660‏ (_PulseRED) ונורית LED‏ IR‏ (_PulseIR) מבטיח שלא תהיה זליגת אור מכל אחד מאותות נוריות ה- LED‏. (מקור התמונה: Bonnie Baker)

האותות הנקלטים מנוריות ה- LED‏ יוצרים רכיבי AC‏ ו- DC‏. רכיב ה- AC מייצג את האופי הפועם של דם עורקי. רכיב ה- DC הוא קבוע המייצג את ספיגת האור עקב הרקמה, הדם הוורידי והדם העורקי הלא-פועם. רכיב זה הוא החלק העורקי הלא-משתנה-בזמן, המתרחש בשלב המנוחה של הלב. משוואה 1 מציגה את חישוב אחוז ה- _SpO2:

משוואה 1

במעגלי המדידה הבדידים של ה- _SpO2 ישנן שש מערכות קריטיות: מגברי דוחף LED‏, מגברי TIA‏, דרגת הגבר אנלוגית, ממיר ADC‏, ממיר דיגיטלי-לאנלוגי (DAC‏) לבקרת מגבר דוחף LED, וייחוס מתח אנלוגי עבור ממירי ADC‏ ו- DAC‏.

מגברי דוחף LED‏ צריכים לפעול במחזוריות בין שני הערוצים כדי להבטיח שהאור האדום ואור ה- IR לא יזלגו אחד לתוך השני. ה- TIA לוקח את זרם הפוטו-דיודה וממיר אותו ליציאת מתח. מגבר הגבר מגדיל את רמת האות כהכנה לתחום כניסת ה- ADC ביציאת המתח של ה- TIA. לאחר מגבר ההגבר, ממיר ADC‏ מבצע דיגיטיזציה של האות ושלוח אותו למיקרו-בקר או ל- DSP‏. לבסוף, כל שרשרת האותות דורשת ייחוס מתח אנלוגי.

מדידות ביו-פוטנציאל וביו-אימפדנס

ביו-פוטנציאל הוא אות חשמלי עקב הפעילות האלקטרוכימית של הגוף. לדוגמה, מדידת ביו-פוטנציאל יכולה להיות ECG‏. אמפליטודת אות קצב לב נמוכה ביותר היא מ- 0.5 מילי-וולט (mV‏) עד mV‏ 4 ויש לה תחום תדרים מ- 0.05 הרץ (Hz‏) עד Hz‏ 40‏.

בבית החולים או במשרד הרופא, הרופא עוקב אחר פעולת הלב על ידי הצמדת אלקטרודות לעור. אלקטרודות רטובות מבטיחות מגע טוב עם הגוף, בדרך כלל עם פדים מכסף/כסף-כלוריד (‎Ag/AgCl). אנשים המשתמשים ביישומים לבישים מוצאים כי אלקטרודות אלו אינן נוחות כלל וכלל ויכולות להתייבש בקלות או להתחיל לגרות את העור.

כחלופה, מעגל ECG‏ לביש צובר מטען חשמלי על קבל חישה. עם קבוע זמן ממוטב, המחושב מרשת קבל-נגד (RC) פסיבית, תהליך הטעינה מבטל את השונות של אימפדנס מגע העור-לאלקטרודה. באיור 3, אות ה- ECG מוצמד לתוך רשת RC ו- TIA1. למעגל ECG‏ זה יש חסינות טבועה מפני שינויים באימפדנס מגע העור-לאלקטרודה.

איור 3: פדים +ECG‏ ו- -ECG‏ הם חיבורים יבשים למטופל. פדים אלו מעבירים את שינוי מטען העור לרשת RC‏. ה- BIO-Z1 ו- BIO-Z2 הם חיבורים דרך נגד פד-רקמת-גוף (_BIO-Z‏R), ומשתמשים ב- TIA2 כדי למדוד את השינוי בהתנגדות העור במקביל ל- _BIO-Z‏R‏. (מקור התמונה: Analog Devices, התאמות על ידי Bonnie Baker)

ביו-אימפדנס היא מדידה נוספת המספקת מידע פיזיקלי שימושי. מדידות אימפדנס מספקות מידע על פעילות אלקטרו-דרמלית בנוגע להרכב רקמת הגוף ורמת ההידרציה. מעגל החישה השני באיור 3 מודד את התנגדות העור באמצעות התנגדות פד, _BIO-Z‏R‏, במקביל להתנגדות העור. בדיקה זו אינה דורשת אות LED‏. התנגדות העור היא בערך אינסופית אלא אם כן המטופל מייצר רטיבות או מזיע מתחת לפד. יצירת הזיעה בגוף מפחיתה את התנגדות העור המקבילה, ומגדילה את הזרם הנכנס ליציאה המהפכת של TIA2.

המנטר הלביש של כושר גופני ובריאות מציג שילוב ייחודי של אתגרי חישה פיזיולוגית. כל דרישה נוספת מגדילה את מורכבות המעגלים ואת התפוסה על לוח המעגלים המודפסים. ככל שמספר אפשרויות ניטור הכושר הגופני והבריאות גדל, כך גדל הצורך במעגלים-משולבים (IC) מורכבים וקומפקטיים יותר.

החיישן הרב-אופנים המשולב

המעגלים-המשולבים (IC‏) ADPD4100‏ ו- ADPD4101 הם רכיבי קצה-קדמי של חיישנים רבי-אופנים שלמים המעוררים עד שמונה נוריות LED ומודדים את אותות ההחזרה עם עד שמונה כניסות זרם נפרדות. ישנם שנים-עשר חלונות זמן, המאפשרים שתים-עשרה מדידות בלתי-תלויות לכל מחזור דגימה. את הכניסות האנלוגיות ניתן לדחוף בקצה-יחיד (Single-Ended‏) או בזוגות דיפרנציאליים. שמונת הכניסות האנלוגיות מרובבות לערוץ יחיד או לשני ערוצים בלתי תלויים, ומאפשרים דגימה בו-זמנית של שני חיישנים. ההבדל היחידי בין שני המוצרים הללו הוא של- ADPD4100 יש ממשק SPI ול- ADPD4101 יש ממשק C‏^2‏I‏ (איור 4).

איור 4: דיאגרמת הבלוקים הפונקציונליים של ה- ADPD4100 ו- ADPD4101 מתארת את ערוצי היציאה של דוחפי LED ואת ערוצי הכניסה האנלוגיים. ערוצי הכניסה מקבלים אותות מפוטו-דיודות או זרמים קיבוליים עבור המרה דרך ממיר ADC‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

באיור 4, לבקרת תזמון העיבוד הדיגיטלי יש שנים-עשר חלונות זמן, המאפשרות שתים-עשרה מדידות נפרדות לכל מחזור דגימה. לצד נוריות LED ופוטו-דיודות חיצוניות, הארכיטקטורה הגמישה של ADPD4100/ADPD4101 מסייעת למתכננים לענות על צורכי המדידה של ההתקנים הלבישים שלהם על ידי איסוף נתונים של ביו-פוטנציאל וביו-אימפדנס. ל- ADPD4100 יש מודול אנלוגי שלם עם ממשק SPI דיגיטלי. הממשק הדיגיטלי של ה- ADPD4101 הוא C‏^2‏I‏.

מסלולי האותות האנלוגיים של ADPD4100/ADPD4101 כוללים שמונה כניסות זרם ניתנות-להגדרה כקצה-יחיד (Single-Ended‏) כאו כזוגות דיפרנציאליים לתוך אחד מתוך שני ערוצים בלתי-תלויים (איור 5‏).

איור 5‏: בדיאגרמת הבלוקים של מסלול האותות האנלוגיים יש שמונה הדקי כניסות אנלוגיות ושני מגברי TIA‏. מסנן מעביר פס-תדרים (BPF‏) מקדים אינטגרטור המסייע בהגדלת רזולוציית ממיר ה- ADC‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

באיור 5, האפשרות לדגימה בו-זמנית של שני חיישנים זמינה בשני ערוצי ה- TIA. כל ערוץ יכול לגשת למגבר TIA עם הגבר ניתן-לתכנות (_F‏R‏), מסנן מעביר-פס-תדרים (BPF) עם פינת מעבר תדרים גבוהים ב- 100 קילו-הרץ (kHz‏), תדר קיטעון מעביר-נמוכים של kHz‏ 390, ואינטגרטור המסוגל לבצע אינטגרציה של 7.5‏± פיקו-קולומב (pC‏) לכל דגימה. כל ערוץ מרובב במימד הזמן לתוך ממיר ADC‏ של Bit‏-14‏. באיור 5, _INT‏R‏ הוא נגד טורי לכניסה של האינטגרטור.

ה- ADPD4100/ADPD4101 פותר אתגרים רבים העומדים בפני המתכננים בעבודתם על התקנים לבישים. הקצה-הקדמי הביו-רפואי עונה על כל הדרישות עם דרגת כניסת חיישנים עם שני ערוצים, ערוצי העירור, מנוע העיבוד הדיגיטלי ובקרת התזמון שלו, כולם עם ביצועים עיליים. הדור של קצה-קדמי לחיישנים רבי-אופנים זה שיפר את מפרט יחס אות-לרעש של 100 דציבלים (dB‏), והפחית את צריכת ההספק (30 מיקרו-וואט (µW‏) עבור כלל המערכת.

לוח ההערכה ADPD4101

לוח ההערכה EVAL-ADPD4100Z-PPG‏ (איור 6) הוא רב-ערך עבור מתכננים השוקלים להשתמש בקצה-הקדמי הפוטומטרי ADPD4100/ADPD4101. הלוח מממש תכן אופטי בדיד פשוט עבור יישומי ניטור סימנים חיוניים, במיוחד PPG מבוססי פרק כף-יד.

איור 6: לוח EVAL-ADPD4100Z-PPG מסייע בהערכה של ADPD4100/ADPD4101 עבור תכני PPG מבוססי פרק כף-היד. האלמנטים האופטיים (מימין) כוללים שלוש נוריות LED‏ ירוק, LED‏ IR אחד ו- LED אדום אחד, כמו גם פוטו-דיודה. (מקור התמונה: Analog Devices)

ל- EVAL-ADPD4100Z-PPG‏ יש שלוש נוריות LED‏ ירוק, LED‏ IR אחד ו- LED אדום אחד, כולן נדחפות בנפרד. יש גם פוטו-דיודה אחת על הלוח, ההופכת לוח הערכה זה למוכן לפעולה מייד.

תכן ייחוס של ADPD4101‏

כלי שימושי לחיבור חיישנים ל- ADPD4101 הוא תכן הייחוס EVAL-CN0503-ARDZ‏. תכן ייחוס זה אינו מדבר ספציפית עם מנטרים לבישים אך זה שימושי לראות כיצד המדריך למשתמש של CN0503 מתאר שה- EVAL-CN0503-ARDZ‏ משתמש ב- ADPD4101‏ לגילוי עכירות, pH, הרכב כימי ומאפיינים פיזיקליים אחרים. תכן הייחוס EVAL-CN0503-ARDZ הוא פלטפורמת מדידות נוזלים אופטיות רבות-פרמטרים הניתנת-להגדרה ויכולה לבצע מדידות קולורימטריה ופלואורומטריה (איור 7).

איור 7‏: תרשים סכמטי מפושט של פלטפורמת מדידות נוזלים אופטיות EVAL-CN0503-ARDZ‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

ל- EVAL-CN0503-ARDZ, בשילוב עם לוח הפיתוח EVAL-ADICUP3029, יש ארבעה מסלולים אופטיים ניתנים-להגדרה (איור 8). שני המסלולים החיצוניים כוללים גם פוטו-דיודות אנכיות ושקעי מסנננים עבור מדידות פלואורסצנציה ופיזור (Scattering). לכל מסלול יש נורית LED עירור, עדשת קונדנסר, מפצל אלומה, פוטו-דיודת ייחוס ופוטו-דיודה משדרת.

איור 8: EVAL-CN503-ARDZ מורכב-במלואו על גבי EVAL-AIDCUP3029 בתחתית התמונה. (מקור התמונה: Analog Devices)

מערך אופטי זה, בשילוב עם דוחף התקן CN0503‏ ותוכנת ההערכה Wavetool, מספקת מסלול לאנליזת נוזלים אופטית מקיפה.

סיכום

המתכננים מתבקשים באופן קבוע להוסיף יותר פונקציונליות למנטרים לבישים. זה מסבך עוד יותר את תהליך התכנון ומאט אותו, מוסיף עלות רכיבים ומגדיל את צריכת ההספק. נדרשת גישה משולבת יותר לניטור בריאות.

כפי שהוצג, השילוב של נוריות LED, פוטו-גלאים, מסלול אותות ADC ושנים-עשר מסלולי אותות מתוזמנים המסופקים על ידי ADPD4101 מבית Analog Devices‏ יוצרים מערכת חישה חסונה עם דיוק גבוה עבור התקנים לבישים לרפואה ולפנאי. עם מספר נוריות ה- LED‏ והערוצים האנלוגיים של ה- ADPD4101 ואלגוריתמי התזמון המעולים, ההתקן מספק פיתרון אידיאלי למדידות _2‏SpO‏, ECG‏ לב והתנגדות העור עבור התקנים לבישים.