Logo

سنسور PPG: وقتی که هر میکروآمپر باید حساب پس بدهد!

0

اندازه گیری چندین پارامتر ، خوانش دقیق و استفاده از باتری برای مدتی طولانی، مهمترین پارامترها برای یک دستگاه سلامت پوشیدنی (wearable health) هستند.

از 10 سال پیش که اولین قدم سنج وارد بازار شد، تغییرات زیادی رخ داده است. در ابتدا، اندازه گیری فقط مختص به شمارش قدم‌ها بود. مطالعات انجام شده نشان می‌دهد که 10،000 قدم در روز تعادل خوبی بین کالری دریافتی و کالری سوزانده شده بر قرار می‌کند. در این مدت، عملکردها و ویژگی های دیگری به دستگاه پوشیدنی مانند اندازه گیری ضربان قلب ، تغییرات ضربان قلب، دمای بدن و هدایت پوست اضافه شده است.

 دستگاه پوشیدنی، که در ابتدا برای اهداف ورزشی و تندرستی در نظر گرفته شده بود ، اکنون به آرامی به سمت بازار پزشکی در حال حرکت است. با این انتقال ، ما باید بیشتر به صحت اندازه گیری ها و طول عمر باتری اعتماد کنیم. هر چه طول عمر باتری دستگاه بیشتر باشد، پذیرش آن توسط کاربر آسان تر خواهد بود.

در این مقاله ، نسل جدیدی از محصولات برای دستگاه‌های بهداشتی پوشیدنی را توضیح داده و نکات و ترفندهایی در مورد اینکه چگونه سیستم را قابل اطمینان تر و بهینه‌تر کنید مطرح شده است.

PPG برای اندازه‌گیری ضربان قلب

وقتی صحبت از سلامتی می شود، سلامت قلب بیشتر از همه مورد توجه قرار می گیرد. می توان آن را موتور سیستم انسانی ما دانست. بدون داشتن یک قلب خوب ، می توانیم با مشکلات جدی سلامتی روبرو شویم. به همین دلیل نظارت بر عملکرد قلب یک اولویت اساسی است. 

دلایل خوب زیادی برای بررسی ضربان قلب ما وجود دارد و صرفا شمارش تپش‌ها در دقیقه نیست. علاوه بر این، می‌توان اطلاعات ارزشمندی از رفتار قلب به صورت فرکانس که تابع فعالیت قلب است بدست آورد. وقتی فعالیت بیشتری از بدن کشیده می شود ، ضربان قلب باید بالا برود تا خون مغذی و اکسیژن‌دارتری به سلول ها وارد کند. ضربان قلب بالا به مدت طولانی و تغییرات سریع ضربان قلب زیاد خوب نیست و می تواند نشانه ای از یک بیماری قلبی مانند فیبریلاسیون دهلیزی باشد.

علاوه بر نظارت بر فرکانس قلب ، پارامتر دیگری به نام تغییر ضربان قلب (HRV) نیز وجود دارد. هنگامی که افراد آرام (relax) می شوند، قلب آنهاضربان ثابتی ندارد و تغییراتی جزئی در آن اتفاق می افتد؛ چیزی در محدوده 3± تپش در دقیقه. این تنوع نشانگر آرامش است. در لحظه ای که افراد دچار استرس می شوند یا پاسخی حیرت آور می گیرند، سطح آدرنالین در بدن بالا می رود و قلب با فرکانس بسیار یکنواخت شروع به پمپاژ می کند. به همین دلیل نظارت بر پارامتر HRV مهم است.

روش کلاسیک برای بازیابی سیگنالهای قلبی، اندازه گیری بیو پتانسیل با الکتروکاردیوگرام (ECG) است. با این حال ، مجتمع کردن این روش در یک دستگاه پوشیدنی کار راحتی نیست.

روش دیگری غیر از بیوپتانسیل برای اندازه گیری ضربان قلب وجود دارد و آن استفاده از یک اصل نوری است. این فناوری مدت هاست که وجود دارد و به آن فوتوپلتیسموگرام ( PPG ) گفته می شود. از فناوری PPG به طور عمده در سیستمهای اندازه گیری اشباع اکسیژن در خون استفاده شده است (SPO2). برای اندازه گیری SPO2 ، شما دو طول موج از نور را از طریق قسمت خاصی از بدن (معمولاً انگشت یا گوش) می فرستید و درصد هموگلوبین اکسیژن دار و کل مقدار هموگلوبین را اندازه می گیرید.

 از آنجا که این فناوری به شما امکان اندازه گیری ضربان قلب را نیز می دهد، معمولاً در سیستم های پوشیدنی مانند دستگاه های کوچک مچی استفاده می شود. این روش بر خلاف اندازه گیری بیو پتانسیل، برای اندازه‌گیری ضربان قلب فقط به یک نقطه تماس نیاز دارند.  ADPD174 از Analog Devices یک زیرمجموعه نوری است که برای پشتیبانی از این کاربردها طراحی شده است (شکل 1 را ببینید).

ADPD174، یک سیستم نوری مجتمع شده با ابعاد 6.5*2.8 میلی متر برای کاربرد PPG
شکل 1: ADPD174، یک سیستم نوری مجتمع شده با ابعاد 6.5*2.8 میلی متر

بازتاب در مقابل انتقال!

بیشتر ما با اندازه گیری SPO2 آشنا هستیم؛ این کار معمولاً با قرار گرفتن کلیپی روی نرمه گوش انجام می شود. نور به قسمتی از بدن ارسال می شود و در نقطه مقابل سیگنال های دریافت شده توسط یک فتودودیود اندازه گیری می شود. با استفاده از این تکنیک انتقال، میزان نور دریافتی یا غیر قابل جذب را اندازه گیری می کنیم. این اصل از نظر عملکرد سیگنال در مقابل میزان توان مصرفی، بهترین کلاس است.

با این حال ، مجتمع‌سازی اندازه‌گیری انتقالی در سیستم پوشیدنی که راحتی در آن مهم است کار ساده ای نیست. بنابراین ، اندازه گیری بازتاب بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. در یک سیستم نوری بازتابنده ، نور به سطح بافت فرستاده می شود، جایی که بخشی از آن در خون جذب می شود و نور باقی مانده به سطح بافت باز می گردد و توسط یک سنسور نور اندازه گیری می شود. در یک سیستم بازتابی ، سیگنال های دریافتی تا 60 دسی بل ضعیف تر هستند، بنابراین باید توجه بیشتری به جنبه‌های الکتریکی و نوری در زنجیره ارسال و دریافت سیگنال داشته باشیم.

چالش‌های الکترونیکی و مکانیکی

همزمان با هر تپش قلب، جریان و حجم خون در حال تغییر است و به همین دلیل سبب پراکندگی نور منعکس شده می‌شود. طول موج نوری که برای اندازه گیری سیگنال های PPG استفاده می شود بسته به تعدادی از عوامل متفاوت است. در این مقاله ، ما خود را محدود به اندازه‌گیری ضربان قلب و تغییرات آن کرده‌ایم. برای این اندازه گیری ، طول موج استفاده شده علاوه بر مکانی که برای سنجش استفاده می‌کنیم، به میزان پرفیوژن نسبی، دمای بافت و رنگ پوست نیز بستگی دارد.

به طور کلی برای دستگاه های مچی، جایی که شریان ها در بالای مچ قرار ندارند، باید از رگ‌ها و مویرگ‌های زیر پوست برای سنجش ضربان استفاده کرد. در اینگونه موارد نور سبز بهترین گزینه است. در جاهایی که جریان خون کافی دارید، مانند بازو ، شقیقه یا کانال گوش ، قرمز یا مادون قرمز موثرتر خواهد بود، زیرا به عمق بیشتری به بافت نفوذ می کند. مخصوصاً برای کاربردهای پوشیدنی که همیشه اندازه و توان باتری مسئله بوده، LED قرمز یا IR مزیت اضافه تری داشته و آن این است که ولتاژ هدایت پایینی دارند. در کاربردهایی که از باتری های سکه ای استفاده می شود، این LED ها می توانند مستقیماً از ولتاژ باتری تغذیه شوند.

LED های سبز متأسفانه به ولتاژ هدایت بالاتری احتیاج دارند و سبب نیاز به مبدل افزاینده می‌شود. بنابراین تأثیر منفی بر مصرف توان کلی سیستم شما خواهد گذاشت. شکل 2 ولتاژ هدایت را برای رنگهای مختلف LED به عنوان تابعی از جریان نشان می دهد. اگر هنوز به LED های سبز احتیاج داشته باشید ، مبدل باک / بوست ADP2503 می تواند ولتاژ ورودی حداقل 2.3 ولت را به ولتاژ هدایت‌های بالا تا حداکثر 5.5 ولت تبدیل کند.

مقایسه ولتاژ هدایت نسبت به جریان در LED های مختلف
شکل 2: مقایسه ولتاژ هدایت نسبت به جریان در LED های مختلف

هنگامی که بده بستان‌های تجاری از قبیل موقعیت سنسور و رنگ LED حل شد، مرحله بعدی انتخاب مناسب ترین راه حل نوری است. AFEهای بسیاری به صورت مجتمع (IC) یا جدا (discrete)  وجود دارد. همچنین انتخاب‌های زیادی برای سنسورهای نور و LED وجود دارد که قابل انتخاب هستند. برای به حداقل رساندن تلاش های طراحی و کوتاه کردن زمان برای ورود به بازار، ADI یک قطعه نوری کاملاً یکپارچه برای اندازه گیری نور بازتابی ساخته است. به آن ADPD174 گفته می شود و شامل همه چیز لازم برای انجام اندازه گیری نوری است. در شکل 3 بلوک دیاگرام قطعه ADPD174 را مشاهده خواهید کرد. اندازه این ماژول 6.5 میلی متر × 2.8 میلی متر است که باعث می شود این سیستم برای سیستم های پوشیدنی بسیار جذاب باشد.

بلوک دیاگرام ADPD174 برای کاربرد در PPG
شکل 3: بلوک دیاگرام ADPD174

این ماژول در اطراف یک فتودیود بزرگ ، دو LED سبز و یک LED IR ساخته شده است. ASIC ساخته شده شامل یک بلوک پردازش سیگنال آنالوگ ، یک ADC از نوع SAR ، یک بلوک پردازش سیگنال دیجیتال ، یک رابط ارتباطی I2C و سه منبع آزاد جریان LED قابل برنامه ریزی است.

این قطعه LED ها را راه اندازی کرده و سیگنال نوری بازگشتی را با فوتودیود 1.2 میلی متر مربعی خود اندازه گیری می کند. بزرگترین چالش برای اندازه گیری PPG با یک وسیله پوشیدنی ، غلبه بر تداخل هایی مانند نور محیط و اغتشاشات تولید شده هنگام حرکت است. نور محیط می تواند به طور باورنکردنی بر نتایج اندازه گیری تأثیر بگذارد. فیلتر کردن نور آفتاب چندان دشوار نیست ، اما فیلتر کردن نور ناشی از لامپهای فلورسنت و لامپ‌های کم مصرف، که شامل اجزای AC است، دشوار است. 

ماژول نوری ADPD174 دارای دو مرحله فیلتر کردن نور محیط است. بعد از سنسور نوری و تقویت کننده ورودی ، یک فیلتر میان گذر به صورت مجتمع شده با یک دمدولاتور همزمان، وجود دارد تا به بهترین شکل نور محیط و تداخل ها از دی سی تا 100 کیلوهرتز را فیلتر کند. رزولوشن ADC به کار رفته 14 بیت است که می‌توان از طریق ترفندهایی تا 27 بیت رسید.

ADPD174 در دو بازه زمانی مستقل عمل می کند؛ برای مثال ، دو طول موج جداگانه را اندازه می گیرد و می تواند نتایج را به صورت متوالی ارائه دهد. در طول هر بار ، الگوریتمی (تحریک LED، دریافت سیگنال نوری و پردازش) کامل اجرا می‌شود.

هر منبع جریان قادر است LED وصل شده را با جریانهای حداکثر 250 میلی آمپر راه اندازی کند. کنترل خلاقانه بر روی پالس LED باعث می شود که میانگین تلفات توان کم باشد و به میزان قابل توجهی در صرفه جویی در مصرف برق و باتری سیستم کمک می کند.

مزیت این مدار درایورLED این است که پویا و مقیاس پذیر است. عوامل زیادی وجود دارد که می توانند بر نسبت سیگنال به نویز (SNR) سیگنال نوری دریافتی تأثیر بگذارند، مانند رنگ پوست یا موهای بین سنسور و پوست ، که بر حساسیت گیرنده تأثیر می گذارد. به همین دلیل تحریک ال ای دی ها را می توان به راحتی برای ساختن یک سیستم خودسازگار تنظیم کرد.

تمام زمان بندی و هماهنگ سازی توسط قسمت AFE انجام می شود ، بنابراین هیچ گونه نیازی به میکروپروسسور در سیستم وجود ندارد. با ADPD174 شما قادر خواهید بود در شرایط عادی و در توانی حدود یک میلی وات، بر ضربان قلب نظارت داشته باشید. برای یافتن این نقطه عملیاتی ، می توانیم با تنظیم حداکثر جریان پیک LED ، بهره آمپلی فایر انتقال (TIA) را تنظیم کنیم. پس از بهینه سازی جریان LED و افزایش گین TIA ، می توانیم تعداد پالس های LED را افزایش دهیم تا سیگنال بیشتری بدست آوریم. توجه داشته باشید که افزایش جریان پیک LED به طور متناسب SNR را افزایش می دهد ، در حالی که افزایش تعداد پالس ها به میزان n ، باعث بهبود SNR متناسب با n√ می‌شود.

یافتن تنظیمات بهینه برای دستگاه ضربان قلب شما، به کاربر بستگی دارد. رنگ پوست کاربر، مکان بستن دستگاه ، دما و جریان خون بر قدرت سیگنال تأثیر دارد. برای محاسبه مصرف توان، AFE نوری را می‌توان به دو قسمت تقسیم کرد: IADPD و ILED. پارامتر IADPD جریانی است که در قسمت تقویت کننده ورودی ، ADC و بخش دیجیتال مصرف می شود. این اعداد بستگی زیادی به میزان نمونه برداری از ADC دارد.

 ILED یا جریان LED با رنگ پوست و موقعیت سنسور روی بدن تغییر می کند. در مورد رنگ پوست تیره و همچنین جاهایی که جریان خون کمی عبور می‌کنند، جریان LED بیشتری نیاز است. میانگین جریان LED با عرض پالس درایو LED ، تعداد پالس ها و زمان نمونه گیری ADC تغییر می کند. متوسط جریان LED همان حداکثر جریان LED است که در عرض پالس و تعداد پالس ضرب می شود. این می تواند به عنوان یک قسمت مصرف کننده درنظر گرفته شود و هر بار که نمونه جدیدی گرفته می شود ، تکرار می شود. عرض پالس می تواند به اندازه 1 میکرو ثانیه باریک باشد.

برای انجام یک اندازه گیری دقیق روی مچ دست، با دو پالس با عرض 1 میکرو ثانیه، به جریان پیک LED در حدود 125 میلی آمپر نیاز است. با در نظر گرفتن فرکانس نمونه برداری 100 هرتز ، میانگین درایوLED، حدود 25 میکرو آمپر است. با اضافه کردن این مقدار به مقدار مصرفی بخش AFE، مصرف کلی 275 میکرو آمپر خواهد بود.

دیگر چالش‌های مکانیکی

هنگام طراحی سیستم نوری ، در مورد تداخل نور محیط به عنوان یکی از چالش ها بحث کردیم. یک چالش بزرگ دیگر در یک سیستم نوری بازتابی وجود دارد که آن را آلودگی (pollution) نور داخلی می‌نامند. در یک سیستم تمام عیار ، تمام نورهای LED به داخل بافت ارسال می شود و فقط نور منعکس شده توسط فوتودیود اندازه گیری می شود. اما در واقعیت، نور LED می تواند توسط حفاظ شفاف محفظه منعکس شود و مستقیماً به فوتودیود برگردانده شود بدون اینکه وارد بافت شود(مشاهده در شکل 4).

مثالی از پخش نور داخلی در یک سنسور PPG
شکل 4: مثالی از پخش نور داخلی

این اثر ILP منجر به جابجایی سطح dc می شود و مؤلفه ac سیگنال را محدود می‌کند که به آن اصطلاحاً ضریب مدولاسیون (MI) نیز گفته می شود. MI در حقیقت تنها سیگنالی است که ما به آن علاقه مند هستیم. ILP را می توان با جداسازی حفاظ برطرف کرد؛ با این حال ، برای تولید انبوه بسیار دشوار و پرهزینه است. ADPD174 راه حل این مشکل است. محفظه آن طوری طراحی شده تا بدون جدا سازی حفاظ، ILP کاهش یابد. در شکل 5 ، بهبود در کاهش ADPD174 ILP در مقایسه با نمونه قبلی خود به عنوان تابعی از جریان LED نشان داده شده است. این یکی دیگر از مزایای سایردستگاههای مجزا یا یکپارچه است که در بازار موجود است.

مقایسه اثر ILP سنسور ADPD174
شکل 5: مقایسه اثر ILP سنسور ADPD174 در نسخه های قدیم و جدید

توان کلی سیستم

در یک سیستم نوری علاوه بر تداخل های نوری، اغتشاشات حرکت نیز باید خنثی شود. حرکت در عملکرد کلی یک سیستم پوشیدنی تأثیر دارد ، زیرا به دلیل حرکت ، اتصال مکانیکی یا تماس با بافت می تواند تغییر کند ، که باعث ایجاد خطا در خوانش نوری می شود. بنابراین ، اندازه گیری حرکت دستگاه و جبران تداخل ها بسیار مهم است. سنسور MEMs فوق العاده کم مصرف 3 محوره ADI ADXL362  کاملاً از این نیازها پشتیبانی می کند. 

این سنسور در راستای هر سه محور اندازه گیری می‌کند و یک ADC دوازده بیتی SAR به صورت مجتمع شده دارد، در نتیجه هر LSB نشان گر 1mg است و از طریق رابط SPI ارتباط برقرا می‌کند. تلفات توان سنسور تنها 1.8 میکرو آمپر است. این قطعه در بسته بندی 3mm*3mm وجود دارد. با این حال ، نسل جدیدی که در حال توسعه است، یک چهارم فضای فعلی را اشغال می‌کند.

چیزی از قلم نیوفتاده؟!

تاکنون در مورد سنسورهای مختلفی که برای ساخت دستگاه بهداشتی پوشیدنی به منظور نظارت بر ضربان قلب و تغییر ضربان قلب مورد نیاز هستند صحبت کرده ایم.اما قلب سیستم را فراموش کردیم؛ همان که تمام این سنسورها را به هم متصل می کند، الگوریتم های نرم افزاری لازم را اجرا می کند و نتایج را ذخیره کرده و یا نمایش می دهد. پردازنده ADuCM3027 / ADuCM3029 Cortex®-M3 از Analog Devices به تازگی عرضه شده است و قادر به پشتیبانی از این نیازها است. این قطعه یک میکروکنترلر فوق‌العاده کم مصرف با مصرف توان کمتر از 38uA/MHz است. این پردازنده دارای فرکانس حداکثر 26 مگاهرتز است و می توان در چهار حالت توانی مختلف کار کند (به جدول 1 مراجعه کنید).

جدول 1: حالت های کاری ADuCM3027/29

ADuCM3027/29 Power Modes

Active < 38 µA/MHz (all analog and digital working)

Flexi < 11.5 µA/MHz (analog active, core clock gated, MCU down)

Hibernate < 900 nA (RTC running, wake up interrupts active, SRAM retained)

Shutdown < 60 nA (analog/digital in deep sleep, only wake-up interrupts active

این میکروکنترلر شامل یک ADC دوازده بیتی SAR ، بافر مرجع و سنسور دما است. حافظه فلش داخلی آن 128 کیلو بایت یا 256 کیلوبایت ، حافظه کش 4 کیلوبایت و حافظه SRAM 64 کیلوبایت است. برای محافظت از خواندن محتوای قطعه از طریق یک رابط خارجی توسط یک کاربر غیرمجاز تلاش زیادی شده است. این امر برای خود تولید کنندگان دستگاه ارزش بسیار زیادی دارد. درنهایت، ADuCM302x را می توان با تغذیه بین 1.8 ولت و 3.6 ولت استفاده کرد که در آن ولتاژ 1.2 ولت مورد نیاز هسته را از طریق LDO داخلی یا مبدل step-down خازنی می‌توان تولید کرد.

برای ارسال بی سیم نتایج اندازه گیری شده، میزان توان نسبتا بالایی نسبت به توان مصرفی کل سیستم نیاز است. پیش پردازش نتایج اندازه گیری به کاهش میزان داده های مورد نیاز برای انتقال کمک می کند. این موجب صرفه جویی در مصرف انرژی اضافی می شود.

خودتان مهندس خودتان شوید!

در پاراگراف های قبلی ، شما آموخته اید که ADI تمرکز شدیدی بر روی سنسور و سیگنال ترکیبی دارد که تمرکز اصلی آن روی عملکرد و توان پایین است. این تراشه ها و زیر سیستم امکان ساخت دستگاه هایی برای سلامتی و همچنین بازار ورزش و سلامتی را فراهم آورده اند که می توانند با یک باتری سکه‌ای تا مدتی طولانی کار کنند. چالش این است که سیستمی بسازیم تا هم عملکرد کافی را داشته باشد و هم کمترین میزان تلفات را داشته باشد. یک الگوریتم خودسازگار می تواند به بهبود عملکرد کلی و پیدا کردن نقطه کار مناسب از نظر مصرف انرژی کمک کند. هر بار که دستگاه مورد استفاده قرار می گیرد، می‌توانید به منظور بهینه سازی مصرف توان، تغییراتی در تنظیمات ایجاد کنید.

سخن آخر…

آنچه بررسی شد، موارد لازم برای طراحی عالی یک دستگاه سنجش سلامت بود. در این نوشتار سعی شده روند ساخت و توضیح  این دستگاه بر اساس قطعات تولیدی Analog Device پیش رود. 

اما می توان از هر قطعه دیگری برای این منظور استفاده کرد و فقط این موارد گفته شده را رعایت کرده و بر اساس آن پیش رفت. به عبارت دیگر، هدف از این نوشتار صرفا ارائه دیدی مهندسی به طراحی اینگونه ادوات است. 

برای مشاهده سایر نوشتارهای مربوط به مهندسی پزشکی، اینجا کلیک کنید!

Choose your Reaction!
دیدگاه خود را بنویسید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

redronic.com