Bolj kot kdaj koli prej je pomembno razviti medicinske pripomočke, ki so priročnejši in ki porabijo manj energije. Ta članek pokriva osnove merjenja SpO2 in prikazuje, kako lahko nova generacija optičnih analognih vhodnih vezij (AFE) pomaga ustvariti boljši oksimeter. Nove naprave imajo lahko zmanjšano kompleksnost zasnove, zmanjšano obremenitev mehanske zasnove in zmanjšano porabo energije.
Analog Devices, Inc.
Avtor: Robert Finnerty
2022_303_22
Tradicionalno je nasičenost periferne krvi s kisikom (SpO2) meritev, ki se opravi na obrobju telesa na prstu ali ušesu, najpogosteje s sponko za določitev razmerja med hemoglobinom, nasičenim s kisikom in skupnim hemoglobinom. Ta meritev se uporablja za ugotavljanje, kako dobro rdeče krvne celice prenašajo kisik iz pljuč v druge dele telesa. Normalne vrednosti SpO2 se pri zdravi odrasli osebi gibljejo od 95 % do 100 %. Stopnje pod tem razponom kažejo na stanje, znano kot hipoksemija. To pomeni, da telo ne prenaša dovolj kisika za vzdrževanje zdravih organov in kognitivnih funkcij.
Oseba, ki trpi za hipoksemijo, lahko doživi omotico, zmedenost, težko dihanje in glavobole. Več zdravstvenih stanj lahko povzroči slabo oksigenacijo krvi in lahko zahteva stalno ali občasno spremljanje doma ali v kliničnem okolju.
SpO2 je eden najpogostejših vitalnih znakov, zabeleženih v kliničnem okolju. Nekatera stanja, ki zahtevajo stalno spremljanje SpO2, vključujejo astmo, bolezni srca, KOPB, pljučne bolezni, pljučnico in hipoksijo, ki jo povzroča COVID-19.
Eden od načinov za ugotavljanje, ali bolniki s simptomatskim COVID-19 potrebujejo hospitalizacijo, je spremljanje njihove SpO2 ravni. Če te ravni padejo pod izhodiščno številko (običajno pod 92 %), jih je treba pregledati v sobi za nujne primere.
Nedavna povezava med COVID-19 in hipoksijo
Pred kratkim so bolnikom s COVID-19 diagnosticirali posebno zahrbtno stanje, znano kot tiha hipoksija. Tiha hipoksija lahko povzroči hudo škodo telesu, preden se pojavi kateri koli od tipičnih respiratornih simptomov COVID-19, kot je kratka sapa. Članek na spletnem mestu Nacionalnega centra za biotehnološke informacije [1] navaja, da “zmožnost odkrivanja te tihe oblike hipoksije pri bolnikih s COVID-19, preden začnejo čutiti težko dihanje, je ključnega pomena za preprečevanje napredovanja pljučnice na nevarno raven.”
Spremljanje SpO2 je tudi ključni indikator pri diagnosticiranju spalne apneje. Obstruktivna apneja v spanju povzroči, da se dihalne poti med spanjem delno ali v celoti blokirajo. To lahko opazimo kot dolge prekinitve dihanja ali obdobja plitvega dihanja, ki povzročajo začasno hipoksijo. Če se ne zdravi, lahko apneja v spanju poveča verjetnost srčnega infarkta, možganske kapi in debelosti. Ocenjuje se, da apneja v spanju prizadene od 1 % do 6 % celotne odrasle populacije.
Nujna potreba po boljšem pulznem oksimetru zdaj in v prihodnosti
Ker se oskrba pacientov razvija v smeri ambulantnega in domačega spremljanja, je treba razviti naprave za spremljanje vitalnih znakov, ki uporabnikov ne bodo ovirali pri opravljanju vsakodnevnih opravil. V primeru SpO2 bo spremljanje območij, ki niso prst ali uho, predstavljalo številne izzive pri razvoju. Zaradi nedavnega pojava tihe hipoksije je razvoj bolj prenosnih enot pulznega oksimetra kliničnega razreda še bolj potreben.
Ta članek bo razložil nekatera temeljna načela merjenja SpO2 in predstavil najnovejšo generacijo ADI-jevih optičnih AFE-jev, ADPD4100 [3] in ADPD4101 [4], ki zmanjšujeta zapletenost razvoja za SpO2 medicinske naprave. Vgrajeno visoko zmogljivo samodejno dušenje zunanje svetlobe zmanjša obremenitev mehanske in elektronske zasnove. Visok dinamični razpon v ADPD4100 pri nižji porabi energije zmanjša število fotodiod ali tok skozi LED-ice tako, da učinkovito določi rahle spremembe v ravni SpO2 pri pacientu. Nazadnje, možnosti digitalnega integratorja omogočajo uporabnikom vstop v izjemno učinkovit način porabe energije, da omogočijo daljše čase delovanja v prenosnih PPG rešitvah z onemogočanjem analognih blokov na poti optičnega signala.
Kaj je nasičenost s kisikom?
Nasičenost s kisikom je odstotek s kisikom nasičenega hemoglobina v krvi glede na celoten razpoložljiv hemoglobin. Zlati standard za merjenje nasičenosti s kisikom je merjenje oksigenacije arterijske krvi, SaO2. Vendar pa ta metoda zahteva laboratorijsko analizo krvnega plina v vzorcu krvi. Razdelek o kalibraciji to pokriva bolj poglobljeno.
SpO2 je ocena ravni nasičenosti s kisikom, izmerjena na perifernih delih telesa z uporabo pulznega oksimetra. Do nedavnega je bil najpogostejši način merjenja nasičenosti s kisikom uporaba pulznega oksimetra, nameščenega na prstu.
Kako deluje pulzni oksimeter?
Pulzni oksimeter deluje tako, da se absorpcija svetlobe v oksigeniranem hemoglobinu (HbO2) in deoksigeniranem hemoglobinu (RHb) bistveno razlikuje pri določenih valovnih dolžinah svetlobe. Slika 1 prikazuje ekstinkcijski koeficient HbO2, Hb in methemoglobina (MetHb) v spektru vidne in infrardeče svetlobe. Ekstincijski koeficient je merilo, kako močno kemična snov absorbira svetlobo pri dani valovni dolžini. Iz slike 1 je razvidno, da HbO2 absorbira več rdeče svetlobe (600 nm) in omogoča prehod več infrardeče svetlobe (940 nm). RHb absorbira več svetlobe pri infrardečih valovnih dolžinah, kar omogoča prehod več rdeče svetlobe kot v HbO2.
Najosnovnejši pulzni oksimeter je sestavljen iz dveh LED-ic (ene rdeče 660 nm LED in ene infrardeče (IR) 940 nm LED) in ene fotodiode (PD) v odsevni ali transmisijski konfiguraciji (glej sliko 4). Pulzni oksimeter bo utripal z rdečo LED-ico in izmeril nastali signal na PD. To ponovi za IR LED-ico in na koncu pri izklopljeni LED-ici, da dobite izhodišče za vse zunanje vire svetlobe v okolju. To ustvari fotopletizmografski (PPG) signal za obe valovni dolžini.
Signal vsebuje DC in AC komponente. DC komponenta je posledica stalne odbojne snovi, kot so koža, mišice in kosti ter venska kri. Ko telo miruje in je gibanje manj pomemben dejavnik, AC komponento sestavlja predvsem odbita svetloba od pulziranja arterijske krvi. AC komponenta je odvisna od srčnega utripa in debeline arterije, pri čemer je več odbite ali prepuščene svetlobe v sistolični (črpalka) kot v distopični (sprostitev) fazi. V sistolični fazi se kri črpa iz srca, kar poveča arterijski krvni tlak. Zvišanje krvnega tlaka razširi arterije in vodi do povečanja volumna arterijske krvi. To povečanje krvi povzroči povečanje absorpcije svetlobe. Krvni tlak med diastolično fazo pade in s tem tudi absorpcija svetlobe. Slika 3 prikazuje diastolično “dolino” in sistolične vrhove, ki jih povzroča utripajoče srce.
Beer-Lambertov zakon pojasnjuje, da svetloba eksponentno pada, ko potuje skozi vpojni material. To se lahko uporabi za določitev ravni oksigeniranega hemoglobina glede na celoten hemoglobin.
Intenzivnost svetlobe, ki se absorbira v diastoli in sistoli, je povezana z:
Kjer α meri stopnjo absorpcije svetlobe v arterijski krvi, d2 pa je amplituda AC signala PPG (glej sliko 3). Diastola je enaka enosmerni komponenti z oznako d1.
Z izračunom AC in DC iz PPG signala lahko določimo spremembo absorpcije svetlobe v arterijski krvi –α.d2, ki jo povzroči črpanje krvi iz srca, brez prispevka iz drugega tkiva.
Razmerje med AC in DC komponento je znano kot indeks perfuzije, ki je razmerje med pulzirajočim pretokom krvi in nepulzirajočim statičnim pretokom krvi. Cilj sistema za merjenje srčnega utripa ali SpO2, ki temelji na PPG, je povečati razmerje med AC in DC signalom.
PI = AC/DC
Indeks perfuzije za valovno dolžino infrardeče in rdeče barve se lahko uporabi za izračun razmerja razmerij (RoR), ki je razmerje med PIred in PLir. Ker je absorpcija svetlobe pri dani valovni dolžini sorazmerna z
Teoretično lahko RoR nadomestimo z naslednjo formulo za izračun SpO2:
Kjer:
EHbO2,red = ekstinkcijski koeficient HbO2 pri 600 nm, EHbO2,ired
= ekstinkcijski koeficient HbO2 pri 940 nm
ERHb,ired = ekstincijski koeficient RHb pri 940 nm, ERHb,red = ekstincijski koeficient RHb pri 600 nm
Vendar Beer-Lambertovega zakona ni mogoče uporabiti neposredno, saj v vsaki optični zasnovi obstajajo številni spremenljivi dejavniki, ki povzročajo spremembe v razmerju RoR in SpO2. Ti vključujejo mehansko zasnovo pregrade, razmik med LED in PD, elektronsko in mehansko dušenje zunanje svetlobe, napake pri ojačenju PD in še veliko več.
Za pridobitev klinične natančnosti pulznega oksimetra SpO2, ki temelji na PPG, je treba razviti tabelo za iskanje ali algoritem za korelacijo med RoR in SpO2.
Kalibracija
Za razvoj SpO2 algoritma visoke natančnosti je potrebna kalibracija merilnega sistema. Za kalibracijo SpO2 sistema je treba zaključiti študijo, v kateri so udeleženčeve ravni kisika v krvi medicinsko znižane, spremljane in nadzorovane s strani zdravnika. To je znano kot študija hipoksije.
Merilni sistem SpO2 je lahko le tako natančen kolikor je natančna referenca. Možnosti reference vključujejo medicinske pulzne oksimetre s sponko za prste in zlati standard ko-oksimeter. Ko-oksimeter je invazivna metoda za merjenje nasičenosti krvi s kisikom, ki zagotavlja visoko natančnost, vendar v večini primerov ni priročna za uporabo.
Postopek kalibracije se uporablja za ustvarjanje krivulje najboljšega prileganja vrednosti RoR, izračunane od optične naprave SpO2 do meritve SaO2 ko-oksimetra. Ta krivulja se uporablja za ustvarjanje iskalne tabele ali enačbe za izračun SpO2.
Za vse zasnove SpO2 bo potrebna kalibracija, saj je RoR odvisen od številnih spremenljivk, kot so valovna dolžina in intenzivnost svetenja LED-ic, odziv PD, postavitev telesa in dušenje svetlobe iz okolja, ki se bodo razlikovali pri vsaki napravi.
Povečan indeks perfuzije in posledično visok dinamični razpon AC na rdeči in IR valovni dolžini bosta povečali občutljivost izračuna RoR in posledično vrnili natančnejšo meritev SpO2.
Med študijo hipoksije je treba zabeležiti 200 meritev na enaki razdalji med 100 % in 70 % nasičenostjo krvi s kisikom. Predmeti so izbrani z različnimi barvnimi toni kože ter enako razporeditvijo starosti in spola. Ta razlika v tonu kože, starosti in spolu je posledica različnih indeksov perfuzije, ki so posledica razlik med posamezniki.
Celotna napaka za transmisivne pulzne oksimetre mora biti ≤3,0 % in ≤3,5 % za odsevno konfiguracijo.
Premisleki glede razvoja
Transmisivna proti reflektivni metodi
Signal PPG je mogoče pridobiti z uporabo transmisivne ali reflektivne LED in PD konfiguracije. Transmisivna konfiguracija meri neabsorbirano svetlobo, ki je prešla skozi del telesa. Ta konfiguracija je najbolj primerna za področja, kot sta prst in ušesna mečka, kjer meritev koristi gostoti kapilar teh telesnih lokacij, zaradi česar so meritve bolj stabilne, ponavljajoče se in manj občutljive na spremembe v postavitvi. Transmisivne konfiguracije dosežejo povečanje perfuzijskega indeksa za 40 dB do 60 dB.
Odsevne konfiguracije PPG so izbrane takrat, ko morata biti PD in LED zaradi praktičnosti nameščeni druga poleg druge, na primer pri napravah, ki se nosijo na zapestju ali na prsih.
Pozicioniranje senzorja in perfuzijski indeks
Postavitev na zapestju in prsnem košu zahteva večji dinamični razpon v PPG AFE, saj je DC signal močno povečan zaradi globine arterij pod statičnimi odsevnimi komponentami, kot so koža, maščoba in kosti.
Večja ločljivost pri meritvah PPG bo zmanjšala negotovost v algoritmu SpO2. S tipičnim PI od 1 % do 2 % za senzorje SpO2, ki se nosijo na zapestju, je cilj zasnove pulznega oksimetra povečati PI z mehansko zasnovo ali povečati dinamični razpon.
Razmik med LED in PD bo močno vplival na PI. Premajhni razmik bo povečal presluh LED v PD ali povratno sipanje. To se bo pojavilo kot enosmerni signal in bo zasičilo AFE.
Povečanje tega razmika zmanjša učinek povratnega sipanja in presluha, hkrati pa zmanjša tudi razmerje tokovnega transformatorja (CTR), ki je LED izhod na PD povratni tok. To bo vplivalo na učinkovitost PPG sistema in zahtevalo večjo moč LED-ic za maksimiranje dinamičnega razpona AFE.
Prednost hitrega utripanja ene ali več LED diod je zmanjšanje prispevka 1/f šuma k celotnemu signalu. Pulziranje LED-ic omogoča tudi uporabo sinhronizirane modulacije na strani sprejema za izničenje motenj zunanje svetlobe. Integracija večjega števila impulzov poveča amplitudo PD signala in zniža povprečno porabo toka. Povečanje celotne površine PD poveča tudi CTR, saj je zajeto več odsevne svetlobe.
Za merjenje srčnega utripa PPG so številni proizvajalci HR naprav sprejeli kombinacijo enega velikega PD in več energetsko učinkovitih zelenih LED-ic za uporabo na mestih, kjer je pretok krvi omejen. Zelene LED-ice so izbrane zaradi njihovega visokega zavračanja artefaktov gibanja [2]. Vendar pa gre to na ceno energije. Zelene LED diode imajo višjo napetost kot rdeče in IR ter visoko absorbanco v človeškem tkivu, kar pomeni, da je za vračanje pomembnih srčnih informacij potrebna večja moč LED-ic.
Ker SpO2 zahteva več valovnih dolžin in večina sistemov še vedno vključuje visoko učinkovite zelene LED diode za HR PPG, je najpogostejša konfiguracija za sisteme HR in SpO2 PPG en sam zeleni, rdeč in IR LED niz, obdan z več PD, kot je razvidno na ADI VSM uri na sliki 5. Razmik med PD in LED nizom je optimiziran za zmanjšanje povratnega sipanja, zasnova pregrade pa zmanjša presluh med LED nizom in PD.
Preizkusili smo več prototipov ADI VSM ure, da bi preverili najučinkovitejši razmik med PD in LED za naše merjenje HR PPG in SpO2.
Artefakti gibanja
Artefakti gibanja predstavljajo enega največjih razvojniških izzivov za PPG merilni sistem. Ko je prisotno gibanje, se širina arterij in ven zaradi pritiska spremeni. Količina svetlobe, ki jo absorbira fotodioda, se spremeni in to je prisotno na PPG signalu, ker se fotoni absorbirajo ali odbijajo drugače kot takrat, ko telo miruje.
Za neskončno široko območje fotodiode, ki pokriva neskončno dolg globok vzorec tkiva, se bodo vsi fotoni sčasoma odbili na fotodiodo. V tem primeru artefakt zaradi gibanja ne bo zaznan. Tega pa ni mogoče doseči; rešitev je povečati območje fotodiode ob upoštevanju kapacitivnosti – znižati AFE in zagotoviti filtriranje artefaktov gibanja.
Normalna frekvenca za PPG signal je med 0,5 Hz in 5 Hz, medtem ko se artefakti gibanja običajno nahajajo med 0,01 Hz in 10 Hz. Preprostih tehnik pasovnega filtriranja ni mogoče uporabiti za odstranjevanje artefaktov gibanja iz signala PPG. Da bi dosegli visoko dušenje gibanja, je treba prilagodljivi filter opremiti z zelo natančnimi podatki o gibanju. V ta namen je Analog Devices razvil 3-osni merilnik pospeška ADXL362. Ta merilnik pospeška zagotavlja ločljivost 1 mg z dosegom do 8 g, medtem ko porabi le 3,6 μW pri 100 Hz in je na voljo v 3 mm × 3 mm ohišju.
Rešitev podjetja ADI: ADPD4100
Postavitev pulznega oksimetra povzroča več izzivov. Naprave SpO2, ki se nosijo na zapestju, predstavljajo dodatne izzive pri razvoju, saj je AC signal, ki nas zanima, le 1 % do 2 % celotne prejete svetlobe na PD. Za pridobitev medicinskega certifikata in razlikovanje med rahlimi spremembami v ravneh oksihemoglobina je potreben višji dinamični razpon AC signala. To je mogoče doseči z zmanjšanjem motenj zunanje svetlobe in zmanjšanjem šuma LED gonilnika in AFE. ADI je to težavo rešil z ADPD4100 [5].
ADPD4100 in ADPD41001 dosežeta do 100 dB SNR. Ta povečan dinamični razpon je bistven za merjenje SpO2 v scenarijih nizke perfuzije. Ta integrirani optični AFE ima osem vgrajenih nizkošumnih tokovnih virov in osem ločenih PD vhodov. Digitalni časovni krmilnik ima 12 programirljivih časovnih rež, ki uporabniku omogočajo definiranje niza zaporedij PD in LED s specifičnim tokom skozi LED, analognim in digitalnim filtriranjem, možnostmi integracije in časovnimi omejitvami.
Ključna prednost ADPD4100 je povečanje SNR/μW, ki je pomemben parameter za neprekinjeno spremljanje z baterijskim napajanjem. Ta ključna metrika je bila obravnavana s povečanjem dinamičnega razpona AFE, obenem pa znižanjem tokovne porabe AFE. ADPD4100 se zdaj ponaša s skupno porabo energije le 30 μW za neprekinjeno merjenje PPG 75 dB, 25 Hz, vključno z napajanjem za LED-ice. Povečanje števila impulzov na vzorec (n) bo povzročilo (√n) povečanje SNR, medtem ko bo povečanje krmilnega toka LED-ic povzročilo sorazmerno povečanje SNR. 1 μW skupna sistemska poraba bo vrnila 93 dB SNR za neprekinjeno merjenje PPG z uporabo 4 V LED napajanja.
Samodejno dušenje svetlobe iz okolja zmanjša obremenitev gostiteljskega mikroprocesorja in hkrati doseže 60 dB dušenja svetlobe. To dosežemo z uporabo LED impulzov s hitrostjo 1 μs v povezavi s pasovnim filtrom za dušenje motenj. V določenih načinih delovanja ADPD4100 samodejno izračuna temni tok fotodiode ali stanje izklopa LED. Ta rezultat se odšteje od vklopljenega stanja LED pred pretvorbo v ADC, da se odstrani okoliška svetloba, pa tudi napake pri ojačenju in drsenje znotraj fotodiode.
ADPD4100 je podprt z nosljivim kompletom za razvoj EVAL-ADPD4100-4101 [6] skupaj s študijsko uro za spremljanje vitalnih znakov ADI [7]. Ta strojna oprema se brezhibno poveže z aplikacijo ADI Wavetool, da omogoči meritve bioimpedance, EKG, PPG srčnega utripa in večvalovnih PPG za razvoj SpO2.
V študijsko uro je ugnezden algoritem samodejnega nadzora ojačenja (AGC) za ADPD4100, ki prilagodi TIA ojačenje in tok skozi LED, da zagotovi optimalno dinamično območje AC signala za vse izbrane valovne dolžine LED-ic.
Alternativne ADI rešitve
Odčitke SpO2 na podlagi merjenja na prstu in ušesni mečici je najlažje načrtovati, saj je razmerje signal/šum višje kot pri pozicioniranju na zapestje ali prsni koš zaradi zmanjšanja kosti in tkiva, kar prav tako zmanjša prispevek enosmerne komponente.
Za takšne aplikacije sta primerna ADPD144RI modul [8] in ADPD1080 [9].
ADPD144RI je popoln modul z integrirano rdečo 660 nm LED-ico in 880 nm IR LED-ico ter štirimi PD v 2,8 mm × 5 mm ohišju. Razmik med LED diodami in PD je optimiziran za najboljše razmerje med signalom in šumom za zelo natančne PPG meritve SpO2. Ta modul uporabnikom omogoča, da hitro preskočijo razvojniške izzive, povezane z umestitvijo in razmikom LED-ic in PD, da dosežejo optimalno razmerje med močjo in šumom. ADPD144RI je bil mehansko optimiziran, da čim bolj zmanjša optične presluhe. To zagotavlja solidno rešitev, tudi če je senzor nameščen pod eno stekleno okno.
ADPD1080 je integriran optični AFE s tremi LED pogonskimi kanali in dvema PD tokovnima vhodnima kanaloma, ki se nahaja v 17-krogličnem WLLCSP 2,5 mm × 1,4 mm ohišju. Ta AFE je idealen za PPG izdelke z majhnim številom kanalov po meri, kjer je prostor na tiskanem vezju kritičen.
Viri:
Toshiyo Tamura. “Current Progress of Photoplethysmography and SpO2 forHealth Monitoring.” Biomedical Engineering Letters, February 2019.
Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken-Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka, and Takehiro Yamakoshi. “Comparison Between Red Green and BlueLight Reflection Photoplethysmography for Heart Rate Monitoring During Motion.” 2013 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), July 2013.
https://www.analog.com/en/products/adpd4100.html
https://www.analog.com/en/products/adpd4101.html
https://www.analog.com/en/products/adpd4100.html
https://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/EVAL-ADPD4100-4101.html
https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6213322513001.html
https://www.analog.com/en/products/adpd144ri.html
https://www.analog.com/en/products/adpd1080.html
O avtorju
Robert Finnerty je inženir sistemskih aplikacij, ki dela v skupini Digital Healthcare Group s sedežem v Limericku na Irskem. Tesno sodeluje s skupino za spremljanje vitalnih znakov, ki se osredotoča na rešitve za optično merjenje in merjenje impedance. Rob se je pridružil skupini natančnih pretvornikov znotraj ADI leta 2012 in se je osredotočil na natančno merjenje nizke pasovne širine. Diplomiral je iz elektronike in elektrotehnike (B.E.E.E.) na National University of Ireland Galway (NUIG). Dosegljiv je na rob.finnerty@analog.com.
