Pertimbangan penyepaduan sistem untuk reka bentuk penderiaan kadar denyutan jantung

MOBILE SUIT GUNDAM IRON-BLOODED ORPHANS-Episode 23 (10 languages) (Julai 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Apabila ia datang kepada reka bentuk HRM optik, pemaju mempunyai pilihan untuk melakukan semuanya atau membeli semuanya

OLEH MORRIE ALTMEJD, Jurutera Sistem Kakitangan Kanan
Labs Silicon
www.silabs.com

Merancang sistem pengawasan kadar jantung optik (HRM), yang juga dikenali sebagai photoplethysmography (PPG), adalah suatu usaha yang kompleks dan pelbagai disiplin. Faktor reka bentuk termasuk ergonomik manusia, pemprosesan isyarat dan penapisan, reka bentuk optik dan mekanik, isyarat bunyi rendah bunyi penerima, dan penciptaan nadi semasa bunyi rendah.

Pengilang yang boleh pakai semakin menambah keupayaan HRM untuk produk kesihatan dan kecergasan mereka, yang membantu mengurangkan kos sensor yang digunakan dalam aplikasi HRM. Ramai HRM sensor kini menggabungkan komponen diskret seperti photodetectors dan LED ke dalam modul yang sangat bersepadu. Modul ini membolehkan pelaksanaan yang lebih mudah yang mengurangkan kos dan kerumitan menambah HRM kepada produk yang boleh dipakai.

Faktor bentuk boleh pakai juga berubah dengan baik. Walaupun tali dada telah berkesan berkhidmat dalam pasaran kesihatan dan kecergasan selama bertahun-tahun, HRM kini berpindah ke pakaian tahan karat berasaskan pergelangan tangan. Kemajuan dalam teknologi penderiaan optik dan pemproses berkuasa tinggi, berkuasa tinggi membolehkan faktor bentuk berasaskan pergelangan tangan menjadi berdaya maju untuk banyak reka bentuk. Algoritma HRM juga telah mencapai tahap kecanggihan untuk diterima dalam bentuk bentuk pergelangan tangan.

Faktor-faktor bentuk penderiaan yang boleh dipakai baru dan lokasi muncul - seperti ikat kepala, pakaian sukan dan kecergasan, dan earbuds. Walau bagaimanapun, kebanyakan penderia biometrik yang boleh dipakai akan dilakukan di pergelangan tangan.

Asas reka bentuk HRM
Tidak ada dua aplikasi HRM yang sama. Pemaju sistem harus mempertimbangkan banyak reka bentuk reka bentuk: keselesaan pengguna akhir, ketepatan penderiaan, kos sistem, penggunaan kuasa, penolakan cahaya matahari, cara menangani pelbagai jenis kulit, penolakan gerakan, masa pembangunan, dan saiz fizikal. Pertimbangan reka bentuk ini mempengaruhi pilihan integrasi sistem: sama ada untuk menggunakan modul atau arkitek yang sangat bersepadu yang menggabungkan lebih banyak komponen yang diskret.

Rajah 1: Prinsip-prinsip operasi untuk pemantauan kadar jantung optik.

Rajah 1 menunjukkan asas pengukuran isyarat denyutan jantung, yang bergantung kepada gelombang tekanan denyut jantung yang optik dikeluarkan dari tisu. Ia memaparkan laluan perjalanan cahaya memasuki kulit. Pengembangan dan penguncupan kapilari - disebabkan oleh gelombang tekanan denyut jantung - memodulasi isyarat cahaya yang disuntik ke dalam tisu oleh LED hijau.

Isyarat yang diterima sangat dilemahkan oleh perjalanan melalui kulit dan dijemput oleh fotodiod dan dihantar ke subsistem elektronik untuk diproses. Modulasi amplitud yang disebabkan oleh nadi itu dikesan, dianalisis, dan dipaparkan.

Pendekatan asas untuk reka bentuk sistem HRM menggunakan MCU yang diprogramkan secara adat dan tidak dapat dikawal yang mengawal pemalar pemacu LED luaran dan serentak membaca output semasa photodiode diskret. Ambil perhatian bahawa output semasa photodiode mesti ditukar kepada voltan untuk memacu blok analog-ke-digital (A / D). Skema dalam Rajah 2 menunjukkan garis panduan sistem sedemikian.

Rajah 2: Elektronik asas diperlukan untuk menangkap kadar denyutan optik.

Di sini, perlu diingat bahawa penukar I-to-V mencipta voltan sama dengan V REF pada arus 0 photodiode, dan voltan berkurangan dengan arus yang semakin meningkat.

Blok bangunan HRM
Denyutan semasa yang biasanya digunakan dalam sistem kadar denyut jantung adalah antara 2 mA dan 300 mA, bergantung kepada warna kulit subjek dan intensiti cahaya matahari yang mana isyarat yang dikehendaki perlu bersaing. Sinaran inframerah (IR) di bawah sinaran matahari melalui tisu kulit dengan pengecilan sedikit, tidak seperti lampu LED hijau yang dikehendaki, dan boleh merapikan isyarat yang dikehendaki melainkan jika lampu hijau sangat kuat atau melainkan penapis menyekat IR mahal ditambahkan.

Secara umumnya, keamatan cahaya LED hijau, di mana ia memasuki kulit, adalah antara 0.1 dan 3 kali intensiti cahaya matahari. Oleh kerana pengurangan berat oleh tisu, isyarat yang tiba di photodiode agak lemah dan menjana arus yang mencukupi untuk membolehkan nisbah isyarat-ke-bunyi (SNR) yang munasabah - 70 hingga 100 dB - disebabkan bunyi tembakan walaupun dalam kehadiran op-amps bebas hingar yang sempurna dan penukar A / D.

Bunyi tembakan disebabkan oleh bilangan elektron terhingga yang diterima untuk setiap bacaan yang berlaku pada 25 Hz. Saiz fotodioda yang digunakan dalam reka bentuk adalah antara 0.1 mm 2 dan 7 mm 2 . Walau bagaimanapun, di atas 1 mm, terdapat pulangan yang berkurang disebabkan oleh kesan cahaya matahari.

Blok fungsi yang sukar dan mahal untuk dilaksanakan dalam reka bentuk sistem kadar denyut optikal, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, adalah penukar V-to-I yang pantas, tinggi yang memacu LED, penukar semasa untuk voltan untuk fotodiod, dan algoritma yang boleh dipercayai dalam MCU yang menyusun denyut-denyut di bawah kawalan tuan rumah. Pemacu LED bunyi rendah - memaparkan 300 mA dan 75-100 dB SNR - yang boleh ditetapkan kepada arus yang sangat rendah sehingga 2 mA sementara masih mencipta denyutan cahaya yang sangat sempit sehingga 10 μs adalah blok mahal untuk dicapai dengan op- amp.

Denyutan cahaya yang sempit hingga 10 μs, ditunjukkan dalam Rajah 2, membenarkan sistem untuk mentolerir gerakan dan cahaya matahari. Biasanya, dua ukuran cahaya dibuat untuk setiap sampel 25-Hz. Satu pengukuran diambil dengan LED dimatikan dan satu dengan LED dihidupkan. Perbezaan dikira membuang kesan cahaya ambien dan memberikan pengukuran isyarat optik mentah yang dikehendaki yang tidak sensitif kepada cahaya latar yang berkedip.

Tempoh pendek denyutan optik kedua-duanya membolehkan dan memerlukan nadi cahaya yang relatif kuat. Adalah penting untuk kekal cerah daripada isyarat cahaya matahari, yang mungkin hadir dan tidak membenarkan pembawa isyarat PPG dipermudahkan oleh isyarat cahaya matahari.

Jika isyarat cahaya matahari lebih besar daripada pembawa PPG, maka walaupun ia boleh dikeluarkan dengan penolakan, isyarat boleh menjadi sangat besar bahawa modulasi luaran seperti mengayunkan lengan masuk dan keluar dari bayang-bayang dapat membuat artifak sukar dibuang. Hasilnya, sistem yang menggunakan pemandu LED semasa rendah dan fotodiodi yang besar boleh menderita teruk dari artifak bergerak dalam keadaan terang-terang.

Reka bentuk diskrit vs bersepadu
Kebanyakan fungsi penginderaan HRM yang dikehendaki tersedia sebelum dirancang dan diintegrasikan ke dalam satu peranti. Pembungkusan sebahagian besar fungsi ini ke dalam satu bahagian hasil silikon dalam pakej 3 x 3 mm yang agak kecil yang dapat mengintegrasikan fotodioda itu sendiri.

Rajah 3 menunjukkan contoh skema dengan sensor optik. Reka bentuk HRM ini agak mudah dilaksanakan. Anda hanya perlu memberi tumpuan kepada bahagian optik reka bentuk, yang termasuk menyekat optik antara bahagian-bahagian di papan dan gandingan sistem ke kulit.

Rajah 3: Sensor kadar jantung bersepadu memerlukan hanya LED luaran.

Walaupun pendekatan yang ditunjukkan dalam Rajah 3 menghasilkan penyelesaian HRM berprestasi tinggi, ia tidak seberapa kecil atau cekap kuasa kerana sesetengah pereka ingin. Untuk mencapai penyelesaian yang lebih kecil, LED mati dan silikon kawalan mestilah disatukan ke dalam pakej tunggal yang menggabungkan semua fungsi penting, termasuk menyekat optik dan kanta yang meningkatkan output LED. Rajah 4 menggambarkan pendekatan yang lebih bersepadu ini, berdasarkan sensor optik Silicon Labs Si117x.

Rajah 4: Modul sensor HRM yang sangat bersepadu yang menggabungkan semua komponen penting.

Tiada LED luaran diperlukan untuk reka bentuk HRM ini. LED dan photodiode semuanya bersifat dalaman untuk modul, yang boleh dipasang tepat di bawah port optik di belakang produk yang boleh dipakai seperti smartwatch. Pendekatan ini membolehkan jarak yang lebih pendek antara LED dan fotodiode daripada mungkin dengan reka bentuk diskret. Jarak yang dikurangkan membolehkan operasi pada kuasa yang sangat rendah disebabkan oleh kehilangan optik yang lebih rendah yang menjejaskan kulit.

Mengintegrasikan LED juga menangani masalah kebocoran cahaya antara LED dan fotodiod supaya pereka tidak perlu menambah larutan optik ke PCB. Alternatif pendekatan ini adalah untuk mengendalikan blok dengan memasukkan plastik atau buih dan lapisan tembaga khas pada PCB.

Terdapat satu lagi bahagian reka bentuk HRM yang pemaju tidak semestinya perlu membuat: algoritma HRM. Blok perisian ini yang berada di pemproses hos agak rumit disebabkan oleh isyarat yang berlaku semasa senaman dan gerakan secara umum. Pergerakan pengguna akhir sering mencipta isyarat sendiri yang merosakkan isyarat kadar jantung sebenar dan kadang-kadang palsu diiktiraf sebagai denyutan jantung.

Sekiranya pemaju atau pengeluar yang boleh dipakai tidak mempunyai sumber untuk membangunkan algoritma, vendor pihak ketiga menyediakan perisian ini secara berlesen. Terserah kepada perancang untuk menentukan sejauh mana integrasi yang sesuai untuk aplikasi HRM. Pemaju boleh mempermudah proses reka bentuk dan kelajuan masa ke pasaran dengan memilih pendekatan berasaskan modul yang sangat bersepadu menggunakan algoritma berlesen.

Pemaju dengan kepakaran, masa, dan sumber penderiaan mendalam yang optik boleh memilih untuk menggunakan komponen berasingan - sensor, fotodiod, kanta, dan lain-lain - dan melakukan integrasi sistem mereka sendiri dan juga membuat algoritma HRM mereka sendiri.