FAE, Analog Devices, Inc.
Avtor: Christoph Kämmerer
2019_276_37
Napredek v tehnologiji senzorjev je spremenil, kako in kje ljudje diagnosticirajo vitalne in zdravstvene lastnosti. Prenosne, neinvazivne merilne tehnike omogočajo hitre in preproste meritve, ki jih lahko izvajamo, ko se ukvarjamo z našim vsakodnevnim življenjem. Čeprav je ta diagnostična tehnologija postala zelo priljubljena v fitnes industriji, so njene meje natančnosti omejene, kar smo pred kratkim premagali.
Fitnes merilniki omogočajo merjenje srčnega utripa in drugih vitalnih dejavnikov, ki lahko uporabnikom pomagajo pri vadbi. Pogosto imajo vgrajene senzorje gibanja, ki lahko zaznavajo vzorce gibanja in pomagajo razlikovati med hojo, tekom in plavanjem, kar jim omogoča, da delajo kot pedometri. Za udobje in praktičnost v vsakdanjem življenju se meritve običajno opravijo na zapestju, saj so senzorji lahko nameščeni v dodatkih, kot so ure, nakit in zapestni trakovi. Vendar ta položaj ni optimalen za kakovost merjenja. Zaznavanje srčnega utripa je omejeno zaradi artefaktov gibanja in hkrati tudi težko, ker relativno visoka mišična masa omejuje dostop do arterij.
Nasprotno pa je uho bolj primerno za optične meritve srčnega utripa. Uhelj že uporabljajo medicinski strokovnjaki za merjenje ravni kisika v krvi. Vendar do zdaj to ni bilo v celoti izkoriščeno na ravni potrošnikov, saj imajo merilne naprave, ki temeljijo na ušesu, omejen prostor in potrebujejo veliko baterijo zaradi zelo visoke porabe energije. Toda z uvedbo visoko integriranih čipov z manjšo porabo energije je Analog Devices razvil rešitev, ki odpravlja te težave. Zdaj lahko v običajne slušalke za v uho vključite delujočo merilno napravo za vitalne znake. Izboljšana odzivnost odpira nova področja uporabe in možnosti. Ta sistem je opisan in razdelan v tem članku.
Osnovna metoda merjenja je optične narave. Za merjenje se uporabljajo kratki impulzni signali iz največ treh LEDic. Tok skozi LEDice lahko znaša do 370 mA pri najmanjši impulzni širini 1 µs. Optimalna valovna dolžina LEDic se izbere glede na merilni položaj in metodo merjenja. Na zapestju je mogoče izmeriti le površinske arterije, zato je tam izbrana zelena svetloba. Infrardeča svetloba in večja globina prodiranja ter višji SNR pa se lahko uporabijo na ušesu. Fotodioda, katere območje detekcije je neposredno povezano z njeno odzivnostjo, meri odbito svetlobo. Tako meri oboje: signal in tudi šum v ozadju. Vhodni analogni del zagotavlja višji SNR. Deluje kot signalni filter in pretvori zaznani tok v napetost in s tem v digitalno obliko. Algoritem vključuje poleg meritve refleksije tudi popravek za filtriranje artefaktov gibanja s pomočjo merilnika pospeška.
Sestavni deli merilnega sistema so naslednji. Čip ADPD144RI podjetja Analog Devices se uporablja kot analogni vhod, ki dodatno integrira fotodiode in LEDice. Meritev je podprta s tri-osnim merilnikom pospeška, ki se uporablja ne samo za prepoznavanje vzorcev korakov in gibov, temveč tudi za odstranjevanje artefaktov. V tem primeru smo uporabili model ADXL362. Celoten proces je pod nadzorom mikrokontrolerja ADuCM3029, ki služi kot vmesnik za različne senzorje in vsebuje algoritem.
Na sliki 1 je prikazan preskusni sistem, v katerem so v ušesih optični senzor in merilnik pospeška. Poskrbljeno je bilo za omejitev frekvence vzorčenja ADC na 100 Hz in zmanjšanje intenzivnosti LEDic, da bi bila poraba energije čim nižja. Za sistemsko karakterizacijo smo upoštevali pet različnih scenarijev za različne vzorce gibanja. Za oceno je bil uporabljen le optični signal. To omogoča vrednotenje, kakšni scenariji se pojavljajo v netočnih meritvah pulzov in kdaj so potrebni podatki merilnika pospeška za povečanje natančnosti merjenja impulzov. Scenariji zajemajo naslednje sekvence gibanja:
- Stanje pri miru
- Stanje pri miru in žvečenje
- Delo pri mizi
- Hoja
- Tek in skakanje
Testni scenarij 1
Stanje pri miru
Na sliki 2 je prikazan spekter neobdelanih podatkov z amplitudo, prikazano glede na frekvenco vzorčenja. Utripi se lahko sčasoma prepoznajo po najvišjih vrednostih. Brez gibanja je signal zelo jasen in srčni utrip se lahko določi preko položaja vrha in znane hitrosti vzorčenja.
Optični senzor beleži srčni utrip v dveh LED barvah – infrardeči in rdeči – s po štirimi kanali. Na ta način je mogoče razlikovati med meritvami z dvema različnima barvnima kanaloma in izbrati močnejšo varianto. Signali različnih kanalov so prikazani na sliki 3A. S šestimi kanali je mogoče prepoznati jasno definiran signal, medtem ko sta dva kanala zasičena. Da bi dosegli močnejši in robustnejši signal, algoritem doda posamezne nenasičene kanale in izračuna srčni utrip. Slika 3B prikazuje srčno frekvenco za rdeči kanal (zgoraj) in infrardeči kanal (spodaj) in hkrati prikazuje stopnjo zaupanja za merjenje s pomočjo barvne lestvice. Podane so tudi množice srčnega utripa, pri čemer se lahko izvirni signal (črtkana črta) razlikuje po hitrosti vzorčenja in stopnji zaupanja.
Če povzamemo, brez gibanja je signal močan in nima motečega šuma, zato lahko algoritem z visoko stopnjo zaupanja določi hitrost utripa. Signal iz infrardečega kanala je močnejši od signala iz rdečega kanala.
Testni scenarij 2
Stanje pri miru in žvečenje
V scenariju 2 so uvedena dodatna premikanja z žvečenjem. Zabeleženi spektri so prikazani na sliki 4. Za razliko od testnega scenarija 1, so artefakti gibanja jasno vidni, kar se odraža v signalu kot skoki. Prav tako postanejo jasni v vsoti kanalov, ki ne kažejo več tako jasno diferenciranih stopenj. Kljub temu je algoritem sposoben pravilno določiti srčni utrip z visoko stopnjo zanesljivosti brez dodatne pomoči senzorjev gibanja. Zanimivo je, da je moč infrardečega signala ponovno večja od moči rdečega kanala.
Testni scenarij 3
Delo za mizo
V 3. scenariju se preizkusi še ena vsakodnevna situacija. Testna oseba sedi za mizo in opravlja običajne naloge in gibanja, povezana z njimi. Podobno kot pri scenariju 2 je mogoče zaznati artefakte gibanja, pri čemer lahko algoritem identificira srčni utrip v obeh kanalih. Kot je razvidno iz slike 5, tu prevladujejo tudi infrardeči signali.
Testni scenarij 4
Hoja
Medtem ko so se prejšnji scenariji nanašali na stacionarne pogoje merjenja, se preskusna oseba v tem primeru premika enakomerno v eni smeri z nizko hitrostjo (približno 50 korakov na minuto). Kot je prikazano na sliki 6, se srčni utrip meša s hitrostjo hoje v signalu PPG in vsota različnih kanalov kaže zelo zamegljen signal. Medtem ko v rdečem signalnem polju ni mogoče izračunati nobene določene srčne frekvence, algoritem najde primernost infrardečega. Zaradi velikih nihanj in nizke matrike zaupanja pa bi bili izjemno koristni dodatni podatki o gibanju merilnika pospeška, zlasti zato, ker so bile do sedaj meritve opravljene le pri nizki hitrosti hoje.
Testni scenarij 5
Tekanje in skakanje
Scenarij 5 namesto merjenja enakomernega gibanja uvaja izmenične intervale sprintov in skokov. Artefakte gibanja je zdaj mogoče zelo jasno opredeliti, pri čemer ima algoritem velike težave pri izoliranju pravilnega srčnega utripa, kot je prikazano na sliki 7. Zdi se, da je potreba po podpori senzorja gibanja neizogibna.
Za boljšo oceno potrebe po senzorju gibanja je scenarij 5 preizkusil merilno tehnologijo z merilnikom pospeška in brez njega. Slika 8 prikazuje primerjavo seštevajočega spektra brez popravljenih podatkov merilnika pospeška (levo) in popravljenih podatkov merilnika pospeška (desno). Izboljšanje signala postane vidno pri identifikaciji srčnega utripa, kar ni bilo mogoče brez podpore pospeška.
Iz testnih primerov je mogoče sklepati, da je v večini primerov srčni utrip mogoče natančno določiti z integriranim senzorjem v ušesih. V primeru lokalnih ali počasnih translacijskih gibanj se lahko srčni utrip določi celo brez uporabe podatkov merilnika pospeška. V omejenem primeru nenadnih in hitrih gibanj pa lahko primerjava s podatki, ki so popravljeni z gibanjem, omogoča tudi interpretacijo podatkov. Infrardeči signali so bili v vseh primerih močnejši od rdečih signalov.
V primerjavi z merjenjem zapestja je signal v ušesu močnejši in tako omogoča natančnejše meritve. Poleg tega uporaba rdeče ali infrardeče svetlobe omogoča merjenje ravni kisika v krvi.
Zaključek
Skratka, merjenje v ušesu je izjemno obetavno, kar dokazuje delovanje testnega sistema. Merilno napravo je mogoče izboljšati tudi z boljšo mehansko integracijo in razširiti, da vključuje dodatne meritve. Tako se lahko merilnik pospeška uporablja tudi za zaznavanje padca in prepoznavanje korakov ter tako ustvarja dodano vrednost za stranko.
O avtorju
Christoph Kämmerer je zaposlen v Analog Devices v Nemčiji od februarja 2015. Diplomiral je leta 2014 na univerzi Friedrich-Alexander v Erlangenu z magisterijem iz fizike. Naslednje leto je delal kot pripravnik v razvoju procesov v Analog Devices v Limericku. Po končanem pripravniškem programu kot inženir za aplikacijo na terenu je decembra 2016 začel delati v Analog Devices, kjer se je specializiral za nove aplikacije. Lahko ga dobite na naslovu christoph.kaemmerer@analog.com.
