より良いパルスオキシメータを設計する方法：実装

より使いやすく、消費電力の少ない医療機器を設計することがこれまで以上に重要になっています。この記事では、より効果的なパルスオキシメータの設計と実装について説明します。

この2部構成のシリーズの最初の記事では、パルスオキシメータの技術仕様について説明しました。この記事では、透過性と反射性、センサーポジショニング、灌流指数、モーションアーティファクト、光学AFEを使用した設計の詳細などの設計上の考慮事項について説明します。

透過型と反射型

PPG信号は、透過型または反射型のLEDおよびPD構成を使用して取得できます。透過構成は、体の一部を通過した非吸収光を測定します。この構成は、指や耳たぶなど、これらの体の位置の毛細血管密度から測定が恩恵を受ける領域に最適です。これにより、測定がより安定し、反復的になり、配置の変化に対する感度が低くなります。透過型構成では、灌流指数が40dBから60dB増加します。

反射型PPG構成は、手首や胸に装着するデバイスなど、実用性のためにPDとLEDを隣り合わせに配置する必要がある場合に選択されます。

図1.LED-PD構成。 （出典：Analog Devices）

センサーの位置と灌流指数

手首と胸に配置するには、皮膚、脂肪、骨などの静的反射コンポーネントの下の動脈の深さのためにDC信号が大幅に増加するため、PPGAFEでより広いダイナミックレンジが必要です。

PPG測定の分解能を上げると、SpO ₂ の不確かさが減少します。 アルゴリズム。手首に装着したSpO ₂ の一般的なPIは1％から2％です。 センサーの場合、パルスオキシメータの設計の目標は、機械的な設計によってPIを増やすこと、またはダイナミックレンジを増やすことです。

LEDとPDの間隔は、PIに大きな影響を及ぼします。間隔が小さすぎると、LEDからPDへのクロストークまたは後方散乱が増加します。これはDC信号として表示され、AFEを飽和させます。

この間隔を大きくすると、後方散乱とクロストークの両方の影響が減少しますが、PDの戻り電流に対するLED出力である変流器比（CTR）も減少します。これはPPGシステムの効率に影響を与え、AFEダイナミックレンジを最大化するためにより多くのLEDパワーを必要とします。

1つまたは複数のLEDを急速にパルス化すると、信号全体に対する1 / fノイズの影響を減らすことができます。 LEDをパルス化すると、受信側で同期変調を使用して、周囲光の干渉を相殺することもできます。複数のパルスを統合すると、PD信号の振幅が増加し、平均消費電流が減少します。総PD面積を増やすと、より多くの反射光が取り込まれるため、CTRも増加します。

心拍数PPG測定では、単一の大型PDと複数の電力効率の高い緑色LEDの組み合わせが、血流が制限されている場所で使用される多くのHRデバイスメーカーによって採用されています。モーションアーティファクトの除去率が高いため、緑色のLEDが選択されています。ただし、これには電力がかかります。緑のLEDは、赤やIRよりも順方向電圧が高く、人体組織の吸光度が高いため、意味のある心臓情報を返すには、より高いLED電力が必要です。

SpO ₂ として 複数の波長が必要であり、ほとんどのシステムには、HRおよびSpO ₂ の最も一般的な構成であるHRPPG用の高効率緑色LEDが組み込まれています。 PPGシステムは、図2のADI VSMウォッチに見られるように、複数のPDに囲まれた単一の緑、赤、およびIR LEDアレイです。PDからLEDへの間隔は、後方散乱を減らすように最適化され、バッフル設計はLEDからPDへのクロストークを減らします。

図2.ADI VSMウォッチV4、バッフル、およびLEDDPアレイ。 （出典：Analog Devices）

ADI VSMウォッチの複数のプロトタイプを試して、HRPPGおよびSpO ₂ の最も効率的なPDとLEDの間隔を検証しました。 測定。

モーションアーティファクト

モーションアーティファクトは、PPG測定システムに最大の設計上の課題の1つを提供します。動きがある場合、動脈と静脈の幅は圧力によって変化します。フォトダイオードによって吸収される光の量が変化します。これは、光子が物体が静止しているときとは異なる方法で吸収または反射されるため、PPG信号に存在します。

無限に長い深部組織サンプルをカバーする無限に広いフォトダイオード領域の場合、すべての光子は最終的にフォトダイオードに反射されます。この場合、動きによるアーチファクトは検出されません。ただし、これは達成できません。解決策は、静電容量を考慮しながらフォトダイオードの面積を増やすことです。つまり、AFEを下げ、モーションアーチファクトのフィルタリングを提供します。

PPG信号の通常の周波数は0.5Hz〜5 Hzですが、モーションアーティファクトは通常0.01 Hz〜10Hzです。単純なバンドパスフィルタリング技術を使用して、PPG信号からモーションアーティファクトを除去することはできません。高精度のモーションキャンセルを実現するには、適応フィルターに高精度のモーションデータを提供する必要があります。この目的のために、アナログ・デバイセズはADXL3623軸加速度計を開発しました。この加速度計は1m g を提供します 最大8 g の解像度 100 Hzでわずか3.6μWを消費し、3mm×3mmのパッケージで利用可能です。

オプティカルAFE

パルスオキシメータの配置には、いくつかの課題があります。手首に装着したSpO ₂ 対象のAC信号はPDで受信される全光のわずか1％から2％であるため、デバイスは追加の設計上の課題を提供します。医療グレードの認証を取得し、オキシヘモグロビンレベルのわずかな変動を区別するには、AC信号のダイナミックレンジを高くする必要があります。これは、周囲光の干渉を減らし、LEDドライバーとAFEノイズを減らすことで実現できます。

SpO ₂ を測定するには、ダイナミックレンジの拡大が不可欠です。 低灌流シナリオでは、アナログ・デバイセズのADPD4100（およびADPD4101）などの次世代光AFEは、最大100dBSNRを達成します。この統合された光AFEには、8つのオンボード低ノイズ電流源と8つの個別のPD入力があります。デジタルタイミングコントローラーには12個のプログラム可能なタイミングスロットがあり、ユーザーは特定のLED電流、アナログおよびデジタルフィルタリング、統合オプション、およびタイミング制約を使用してPDおよびLEDシーケンスのアレイを定義できます。

SNR /μWの増加は、バッテリ駆動の継続的な監視にとって重要なパラメータです。この重要なメトリックは、AFEのダイナミックレンジを拡大すると同時に、AFEの消費電流を削減することで対処されています。たとえば、ADPD4100の総消費電力は、LED電源を含む75 dB、25Hzの連続PPG測定でわずか30μWです。サンプルあたりのパルス数（n）を増やすと、SNRが（√n）増加しますが、LED駆動電流を増やすと、それに比例してSNRが増加します。 1μWの総システム消費量は、4 VLED電源を使用した連続PPG測定で93dBSNRを返します。

自動周囲光除去は、60 dBの光除去を実現しながら、ホストマイクロプロセッサの負担を軽減します。これは、干渉を排除するためにバンドパスフィルターと組み合わせて1μsの速さのLEDパルスを使用して達成されます。特定の動作モードでは、ADPD4100はフォトダイオードの暗電流またはLEDオフ状態を自動的に計算します。この結果は、ADCで変換される前のLEDオン状態から差し引かれ、周囲光とゲインエラーおよびフォトダイオード内のドリフトが除去されます。

アプリケーション固有の開発ツールを使用すると、設計がさらに簡素化されます。たとえば、ADPD4100は、EVAL-ADPD4100-4101ウェアラブル評価キットとADIバイタルサインモニタリングスタディウォッチでサポートされています。このハードウェアは、ADI Wavetoolアプリケーションにシームレスに接続して、生体インピーダンス、ECG、PPG心拍数、およびSpO ₂ の多波長PPG測定を可能にします。 発達。スタディウォッチには、TIAゲインとLED電流を調整して、選択したすべてのLED波長に最適なAC信号ダイナミックレンジを提供する自動ゲイン制御（AGC）アルゴリズムが組み込まれています。

指と耳たぶベースのSpO ₂ 骨と組織が減少し、DC成分の寄与も減少するため、信号対雑音比が手首または胸部ベースのポジショニングよりも高いため、読み取り値を設計するのが最も簡単です。

このようなアプリケーションの場合、ADPD144RIのような光学センサーモジュールとADPD1080のような測光フロントエンドにより、開発者はLEDとPDの配置と間隔に関連する設計上の課題をすばやくスキップして、最適な電力対ノイズ比を実現できます。これが可能なのは、光学センサーに、赤色の660 nm LED、880 nm IR LED、および2.8mm×5mmパッケージの4つのPDが統合されているためです。 LEDとPDの間の間隔は、SpO ₂ に最適な信号対雑音比を提供するように最適化されています。 高精度PPG測定。このデバイスは、センサーが単一のガラス窓の下に配置されている場合でも、光学的クロストークを可能な限り低減するように機械的に最適化されています。

ADPD1080は、17ボールの2.5mm×1.4mmWLLCSPに3つのLEDドライブチャネルと2つのPD電流入力チャネルを備えた統合光AFEです。このAFEは、ボードスペースが重要なカスタム設計の低チャネル数PPG製品に適しています。

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図3.ADPD410Xのブロック図。 （出典：Analog Devices）

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図4.ADPD4100の赤（右）とIR（左）の同時PPG測定。 （出典：Analog Devices）

参考資料

1. 田村敏代。 「健康モニタリングのためのフォトプレチスモグラフィーとSpO2の現在の進歩。」 生物医学工学の手紙 、2019年2月。
2. リー・ジウヒョン、松村健太、山越健一、ピーター・ロルフ、田中忍、山越武弘。 「運動中の心拍数モニタリングのための赤緑と青の光反射フォトプレチスモグラフィーの比較。」 2013 3 第5回 IEEE Engineering in Medicine and Biology Society（EMBC）の年次国際会議 、2013年7月。

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> Robert Finnerty は、アイルランドのリムリックに拠点を置くDigital HealthcareGroupで働いているAnalogDevicesのシステムアプリケーションエンジニアです。彼はバイタルサイン監視グループと緊密に連携し、光学およびインピーダンス測定ソリューションに焦点を当てています。 Robは2012年にADI内の高精度コンバータグループに加わり、低帯域幅の高精度測定に注力してきました。彼は、アイルランド国立大学ゴールウェイ校（NUIG）で電子電気工学（B.E.E.E）の学士号を取得しています。彼の連絡先は[email protected]です。

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