Sensoren im Mittelpunkt

Der MAX86141 verwendet eine Zweikanal-Methode, um den Stromverbrauch zu reduzieren

Ist Ihr Fitness-Tracker - das Gerät, mit dem Sie täglich fleißig waren - irgendwo in einer Schublade zu sitzen? Ist das so, weil Sie sich immer gefragt haben, wie genau diese Dinge genau sind?

Laut einer Studie der Stanford University, die im Mai 2017 veröffentlicht wurde, sind Fitness-Tracker genauer als je zuvor bei der Messung der Herzfrequenz.

Sechs von sieben Geräten für die Studie untersucht gemessen Herzfrequenz genau innerhalb von 5%, nach der School of Medicine der Universität.

Design für Genauigkeit

Aus der Sicht des Designs ist es jedoch eine große Herausforderung, Ergebnisse zu erzielen, die von tragbaren Geräten ausgehen.
Um die beste Leistung der optischen Biosensoren im Herzen dieser Geräte zu erzielen, ist ein tiefes Verständnis des Lichtverhaltens erforderlich, wenn es auf die Haut trifft und diese durchdringt.

Die Herzfrequenz wird typischerweise mittels einer Technik gemessen, die als Photoplethysmographie (PPG) bezeichnet wird.

Um ein PPG-Signal von einem tragbaren Gerät zu erhalten, wird die Haut zuerst durch eine LED beleuchtet. Als nächstes detektiert eine Photodiode, die einen Strom proportional zu der Menge an empfangenem Licht erzeugt, Änderungen in der Intensität des reflektierten Lichts. Wenn das Herz Blut pumpt, registriert die Lichtmenge, die von der Haut zur Fotodiode zurückkehrt, eine kleine Änderung der Amplitude (AC-Signal).

Diese kleine Änderung wird einer großen statischen Amplitude (DC-Signal) überlagert. Die statische Amplitude repräsentiert die Absorption durch Gewebe zusammen mit Umgebungslichtbedingungen (Hintergrund), in denen die Messung durchgeführt wird.

Nach der Digitalisierung wird das aktuelle Signal an einen Mikroprozessor in dem tragbaren Gerät gesendet; Ein Algorithmus im Gerät berechnet die Herzfrequenz.

Licht auf Genauigkeit werfen

Die Genauigkeitsherausforderungen kommen von zwei Schlüsselbedingungen, die nicht vorhersehbar und nicht kontrollierbar sind.
Erstens gibt es die unterschiedlichen Lichtbedingungen, denen der Gerätebenutzer während des Trainings oder der Durchführung alltäglicher Aktivitäten begegnet.

Wenn sich die Lichtbedingungen schnell ändern, kann dies Artefakte in den Messprozess einbringen. Artefakte sind eine wichtige Bedingung, um die Genauigkeit zu verbessern.

Große Änderungen im empfangenen Signal, Artefakte können das kleine AC-Signal effektiv maskieren, was es für den Mikroprozessor schwierig macht, die Pulsrate korrekt zu berechnen.

Um eine genaue Messung zu gewährleisten, müssen tragbare Geräte so ausgelegt sein, dass sie große Schwankungen der Umgebungsbeleuchtung ausgleichen.

Umgebungslichtkompensation ist üblicherweise in vielen modernen Gesundheits- und Fitnessgeräten enthalten, aber die Größe (Umgebungsbereich) und die Qualität (Umgebungsunterdrückung) variieren sehr stark.

Viele verfügbare Produkte melden einen Umgebungsbereich von bis zu 25 μA und eine Umgebungsunterdrückung von bis zu 55 dB (bei 120 Hz).
Die zweite Herausforderung ergibt sich aus der Bewegung des Benutzers, besonders wenn er intensiv trainiert wird. Dies kann auch Artefakte verursachen. Digitale Filtertechniken können diese Bewegungsartefakte kompensieren, obwohl sie nicht immer erfolgreich sind.

Ein weiteres wichtiges Kriterium für tragbare Geräte ist der geringe Stromverbrauch, um die Lebensdauer der Batterie trotz ihres kleinen Formfaktors zu verlängern. Viele derzeit verfügbare Lösungen verwenden mehrere Photodiodendetektoren, die sequentiell mit hoher Frequenz arbeiten.

Dieser Ansatz ist nicht ideal, da der Betrieb von LEDs, der leistungsstärksten Komponente in diesen Geräten, bei der hohen Frequenz, die für genaue Messungen benötigt wird, eine große Belastung für die Batterien darstellt, die die Geräte mit Energie versorgen. Dieser Ansatz kann mehr als 450 μW Leistung (bei 25 Samples / s) verbrauchen.

Ein Doppelkanal-Ansatz zur genauen Erfassung der optischen Herzfrequenz in einem tragbaren Formfaktor mit geringer Leistung wurde von Maxims optischem Pulsoximeter MAX86141 und Herzfrequenzsensor eingeführt. Es erfasst sowohl die optische Herzfrequenz als auch die Sauerstoffsättigung (SpO2) und die Muskelsauerstoffsättigung (SmO2 und StO2), indem zwei Photodiodendetektoren gleichzeitig und nicht nacheinander verwendet werden.

Der parallele Betrieb von zwei Kanälen reduziert den Stromverbrauch (184 μW bei 225 Samples / s), da die LEDs nur einmal und nicht mehrfach eingeschaltet werden müssen (was für sequenzielles Sampling erforderlich ist).

Mit zwei Photodiodendetektoren können Sie auch zeitlich korrelierte Differenzsignale erzeugen.

Bei diesem Ansatz zur optischen Bewegungserkennung werden die Signale von dem nachgeschalteten Mikroprozessor zur Verbesserung der Bewegungskompensation verwendet.

Im MAX86141 kann der Entwickler einen "Lattenzaun" -Algorithmus nutzen, der schnelle Änderungen der Umgebungsbeleuchtung erkennt und ersetzt.

Wenn zum Beispiel ein Läufer, der einen Fitness-Tracker trägt, durch ein Gebiet mit vielen Bäumen joggt, würden sich Sonnenlicht und Schatten abwechseln. Der Algorithmus berücksichtigt diese Arten von Umgebungslichtänderungen. Das optische Pulsoximeter hat einen Umgebungsbereich von 100 μA und eine Umgebungsunterdrückung von 84 dB (bei 120 Hz). Systemleistung beträgt 120μW.
Der IC ist in einem Wafer-Level-Package (WLP) von 2,048 × 1,848 mm und einem Abstand von 0,4 mm erhältlich.

Das optische Pulsoximeter und der Herzfrequenzsensor sind klein genug, um an einem Handgelenk, im Ohr oder an einem Finger getragen zu werden.

Über den Autor

Sudhir Mulpuru, ist Executive Business Manager Advanced Sensor Products (ASP) bei Maxim Integrated Michael Jackson ist Principal Writer und Tapan Shah ist leitendes Mitglied des technischen Personals, ASP, ebenfalls bei Maxim Integrated