1. december, 2017

Merjenje srčnega utripa in nivoja kisika v krvi v prenosnih in nosljivih napravah

microchip 300x74 - Merjenje srčnega utripa in nivoja kisika v krvi v prenosnih in nosljivih napravahMicrochip Technology Inc.
Avtorja: Zhang Feng in Marten Smith

Spremembe, ki so se pojavile na področju medicine in fitnesa, skupaj s pripadajočimi elektronskimi napravami, lahko resnično imenujemo revolucionarne. Zahteve današnjih trgov glede medicinskih naprav so številne, raznolike in zahtevne. Naprave, ki so bile nekoč celo v bolnišnicah redko na voljo, se zdaj množično uporabljajo za medicinske aplikacije, ki jih imamo doma, pa tudi za spremljanje fitnesa.

258 26 01 300x214 - Merjenje srčnega utripa in nivoja kisika v krvi v prenosnih in nosljivih napravah

Slika 1: Dve metodi oksimetrije

Zmožnost merjenja srčnega utripa in ravni kisika se večkrat pojavlja v potrošniških izdelkih, če omenimo le en primer. Te meritve je mogoče izvesti z uporabo pulznih oksimetrov, ki so zdaj na voljo kot domači medicinski pripomoček, prav tako pa so tudi del integriranih sledilnikov fitnes aktivnosti, ki jih nosimo na zapestju.

V tam članku bomo obravnavali osnove pulzne oksimetrije za medicinske in fitnes aplikacije. Ogledali si bomo tudi primer načrtovanja impulznega oksimetra za merjenje srčnega utripa in ravni kisika.

Kaj je oksimetrija?

Oksimetrija je merjenje zasičenosti kisika v krvi in se navadno izraža v odstotkih. Pulzni oksimeter je neinvazivni pripomoček, ki meri nasičenost kisika človeške krvi in srčni utrip. Pulzne oksimetre zlahka prepoznamo kot sondo v obliki ščipalke, ki se običajno pripne na bolnikov prst.

Pulzni oksimeter je lahko popolnoma samostojna naprava, lahko je del sistema za spremljanje stanja pacientov ali integrirana v nosljiv pripomoček za fitnes. Skladno s tem pulzne oksimetre uporabljajo medicinske sestre v bolnišnicah, ambulantni bolniki na svojih domovih, fitnes navdušenci v telovadnicah in celo piloti v zrakoplovih z neprilagojenim tlakom.

Kaj pomeni: nasičenost krvi s kisikom?

Nasičenost krvi s kisikom se meri s preučevanjem hemoglobina, pigmenta rdečih krvničk, ki prenašajo kisik (zato so rdeče barve) v telesna tkiva. Hemoglobin najdemo v dveh oblikah. Prva oblika se imenuje oksidiran hemoglobin, ki ga označujemo s HbO2 (kar pomeni: obremenjen s kisikom). Druga oblika se imenuje reduciran hemoglobin, ki je označen kot Hb in pomeni kisika osiromašen.

258 26 02 300x225 - Merjenje srčnega utripa in nivoja kisika v krvi v prenosnih in nosljivih napravah

Slika 2: Signala utripanja rdeče in infrardeče (IR) svetlobe v realnem času, prikazana na osciloskopu

Lahko torej rečemo, da je nasičenost s kisikom v krvi (SpO2) razmerje med oksidiranim in reduciranim hemoglobinom. To lahko izrazimo tudi kot:

SpO2=HbO2/ (Hb + HbO2)

Vrednost zasičenosti krvi s kisikom je izražena v odstotkih. Normalni odčitki so običajno 97% ali več.

Kako oksimeter aPulse meri nasičenost krvi s kisikom (SpO2)?

Ena izmed resnično zanimivih stvari v zvezi s hemoglobinom je, kako odbija in absorbira svetlobo. Hb Na primer absorbira več (in odseva manj) vidne rdeče svetlobe, HbO2 pa absorbira več (in odseva manj) infrardeče svetlobe. Ker nasičenost krvi s kisikom lahko določimo s primerjavo vrednosti Hb in HbO2, je ena izmed metod ta, da del telesa (na primer prst ali zapestje) poskušamo presvetliti tako z rdečo, kot tudi z infrardečo LED, nato pa primerjati njuno relativno intenziteto. Obstajata dve najpogostejši metodi:

  • erjenje svetlobe, ki presvetli tkivo, se imenuje transmisijska oksimetrija
  • merjenje svetlobe, ki jo tkivo odseva, se imenuje odbojna oksimetrija (glej sliko 1).

Eden od primerov transmisivne pulzne oksimetrije je v bolnišnicah, saj ima na splošno večina bolnišničnih sistemov za spremljanje stanja pacientov integriran transmisivni pulzni oksimeter. Po drugi strani pa mnoge novejše vrhunske fitnes naprave, ki jih je mogoče nositi, uporabljajo metodo refleksivno-pulzno-oksimetrične metode.

Kako merilnik aPulse meri hitrost srčnega utripa?

Medtem, ko srce utripa, poganja kri skozi telo. Med vsakim srčnim utripom se kri potisne v kapilare, katerih volumen se zato nekoliko poveča, med posameznimi srčnimi utripi pa se njihov volumen spet zmanjša. Ta sprememba volumna vpliva na količino svetlobe, na primer količino rdeče ali infrardeče svetlobe, ki bo presvetlila tkivo. Čeprav je to nihanje zelo majhno, ga lahko izmerimo s pulznim oksimetrom in to z enakimi nastavitvami, kot se uporabljajo za merjenje zasičenosti krvi s kisikom.

Podrobna teorija delovanja

Delovanje tipičnih pulznih oksimetrov, ki spremljajo zasičenost človeške krvi s kisikom (SpO2), v glavnem temelji na absorbciji rdeče svetlobe (z valovno dolžino 600-750nm) in infrardeče svetlobe (z valovno dolžino 850-1000nm) glede na značilnosti oksidiranega hemoglobina (HbO2) in reduciranega hemoglobina (Hb ). Ta vrsta impulznega oksimetra izmenično presvetljuje del telesa, recimo prst, z rdečo oziroma infrardečo svetlobo, količino te svetlobe pa sprejema s fotodiodnim senzorjem.

Za sprejem neabsorbirane svetlobe, ki jo izmenično oddajata LED diode, se običajno uporablja fotodioda. Ta signal se nato obrne z uporabo invertirajočega ojačevalnika ali z operacijskim ojačevalnikom. Dobljeni signal predstavlja svetlobo, ki bila absorbirana pri prehodu skozi prst, kot je prikazano na sliki 2.

Amplitudi impulzov (Vpp) rdečega in infrardečega signala se merita in pretvorita v Vrms, da lahko dobimo razmerje vrednosti, kot je podano v enačbi spodaj …

Ratio= (Red_AC_Vrms/Red_DC) / 
(IR_AC_Vrms/IR_DC)
258 26 03 300x214 - Merjenje srčnega utripa in nivoja kisika v krvi v prenosnih in nosljivih napravah

Slika 3: Primer kalibracijske krivulje

SpO2 se tako lahko določi z uporabo razmerja in tabele, ki je sestavljena iz empiričnih formul. Hitrost pulza se lahko izračuna na osnovi vzorca analognega signala (ADC) pulznega oksimetra in gostote vzorčenja.

Vpogledna tabela je pomemben del pulznega oksimetra. Te tabele so specifične za določeno oksimetrično zasnovo in običajno temeljijo na umeritveni krivulji, ki med drugim temelji tudi na velikem številu meritev pri osebah z različnimi stopnjami SpO2. Slika 3 prikazuje primer kalibracijske krivulje.

Opis načrta vezja

258 26 04 300x214 - Merjenje srčnega utripa in nivoja kisika v krvi v prenosnih in nosljivih napravah

Slika 4: Blokovni diagram transmisijskega pulznega oksimetra

Naslednji primer bo podrobno opisal različne elektronske sklope načrtovanega transmisivnega pulzno-oksimetrskega merilnika. V vezju, ki je prikazano na sliki 4, prikazujemo hitrost srčnega utripa in nivoja nasičenja krvi s kisikom.

Sonda

Sonda SpO2, ki je uporabljena v tem primeru, je sponka, ki združuje na eni strani dve oddajni LED, ki oddajata rdečo in IR svetlobo ter na drugi strani sprejemno fotodiodo. Krmiljenje LED diod izvaja vezje LED krmilnika.

Rdečo in infra-rdečo svetlobo, ki prehajata skozi prst, na drugi strani zaznavamo, prilagodimo za merjenje z vezjem za prilagoditev, nato pa vodimo na vhod 12-bitnega ADC modula, ki je integriran v digitalnem signalnem krmilniku (DSC) in v katerem se prav tako izračuna tudi odstotek SpO2.

Vezje LED gonilnika

Dvojno enopolno analogno stikalo, ki ga poganjata dva PWM signala iz DSC, izmenično vklapljata in izklapljata rdečo in infra rdečo LED diodo. Da bi z ADC zagotovili zajem zadostnega števila vzorcev in še vedno imeli dovolj časa za obdelavo podatkov še preden se prižge naslednja LED, se svetleče diode vklopijo in izklopijo glede na časovni diagram, ki ga vidimo na sliki 5.˝Tok oziroma intenzivnost LED svetlobe krmili 12-bitni analogno-digitalni pretvornik (DAC), ki ga prav tako upravlja DSC.

Analogno vezje za prilagajanje signala

258 26 05 300x214 - Merjenje srčnega utripa in nivoja kisika v krvi v prenosnih in nosljivih napravah

Slika 5: Časovni diagram

V vezju za prilagajanje signala obstajata dve stopnji. Prva stopnja je transimpedančni ojačevalnik, druga stopnja pa je izhodni ojačevalnik z nastavljivim ojačenjem. Med obema stopnjama je nameščen še visokoprepustni filter.

Transimpedančni ojačevalnik pretvori nekaj mikroamperov toka, ki jih generira fotodioda, v nekaj milivoltov napetosti. Signal, ki ga dobimo iz tega prvostopenjskega ojačevalnika, nato poteka skozi visokoprepustni filter, ki je zasnovan tako, da v največji možni meri zmanjša motnje, ki bi jih lahko povzročali svetlobni viri iz okolice.

Signal iz izhoda visokoprepustnega filtra se nato vodi na ojačevalnik druge stopnje z ojačenjem 22 in enosmerno napetostjo 220 mV. Vrednosti za stopnjo ojačenja ojačevalnika in enosmerna offset napetost sta nastavljeni tako, da je raven ojačenja izhodnega signala ojačevalnika v obsegu ADC pretvornika mikrokontrolerja.

Načrtovanje digitalnega filtra

Izhod analognega vezja za prilagoditev izmerjenega signala je povezan na vhod integriranega 12-bitnega ADC modula, ki je vgrajen v mikrokontrolerju. V tem primeru, ki ga opisujemo, smo uporabili dsPIC® DSC proizvajalca Microchip Technology. Uporabljeni procesor dsPIC33FJ128GP802, ki smo ga uporabili v tem dizajnu, nam omogoča, da izkoristimo ne le njegove integrirane DSP zmogljivosti, temveč tudi Microchipovo orodje za oblikovanje digitalnih filtrov.

Izhod analognega vezja za signalizacijo je povezan z integriranim 12-bitnim modulom ADC. Za ta primer smo uporabili dsPIC® DSC iz podjetja Microchip Technology. DsPIC33FJ128GP802, ki smo ga uporabili v tem dizajnu, nam je omogočil, da izkoristimo ne le svoje integrirane zmogljivosti DSP, temveč tudi Microchipovo orodje za oblikovanje digitalnih filtrov.

Med vsakim obdobjem, ko je posamezna LED prižgana, se vzame od obeh po en ADC vzorec. Zaradi različnih izzivov pri meritvah na podlagi presevanja svetlobe v organskem tkivu, je bilo orodje za oblikovanje filtra uporabljeno za oblikovanje digitalnega FIR filtra 513. reda, ki je v osnovi pasovni filter, ki nam je omogočil filtriranje ADC podatkov. Ti filtrirani podatki so bili zatem uporabljeni za izračun amplitude impulzov, kot je prikazano na sliki 6.

Specifikacije našega pasovnega FIR filtra so:

  • Frekvenca vzorčenja (Hz): 500 Passband Ripple (-dB): 0,1
  • Frekvenca pasovne širine (Hz): 1 in 5 Stopband Ripple (-dB): 50
  • Stopband frekvenca (Hz): 0,05 in 25; red filtra: 513
  • FIR Okno: Kaiser

Zaključek

258 26 06 300x147 - Merjenje srčnega utripa in nivoja kisika v krvi v prenosnih in nosljivih napravah

Slika 6: Vhodni in filtrirani podatki: Graf 1, prikazan v rdeči barvi, je vhodni signal za filter FIR Graf 2, prikazan zeleno, je izhodni signal iz filtra FIR X-os kaže število vzorcev ADC Y-os prikazuje vrednosti ADC odčitkov

Trgi za fitnes in zdravljenje na domu hitro naraščajo. Povpraševanje po napravah, ki lahko merijo srčni utrip in raven kisika v krvi, se bo, kot kaže, v naslednjih nekaj letih še povečalo. V tem članku opisani primer impulznega oksimetra vsebuje razvojnim inženirjem koristne informacije za načrtovanje naprav, ki se uporabljajo za medicinske in fitnes naprave, skupaj z osnovnim vezjem, ki jim lahko pomaga pri hitrejšem uvajanju novih izdelkov v redno proizvodnjo in na trg
Opomba: dsPIC je registrirana blagovna znamka podjetja Microchip Technology Incorporated v Združenih državah Amerike in drugih državah. Vse ostale blagovne znamke, ki so omenjene v tem dokumentu, so last njihovih podjetij.

Viri

Pulse-Oximeter Design

Principi tehnologije pulzne oksimetrije (2002) na spletni strani Oximetry.org.:

  • http://www.oximetry.org/pulseox/principles.htm

Online Medical Design Center podjetja Microchip Technology Inc.,:

  • http://www.microchip.com/pagehandler/en-us/products/medical/pulseoximeter.html/

Ali pa med aplikacijami poiščite Pulse Oximeter:

Webster, J. G. (1997). Design of Pulse Oximeters. Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing.

Simulator pulznega oksimetra

  • Fluke Biomedical. (2007). Index 2XL SpO2 Simulator User Manual.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
www.microchip.com
Tags: