Die Herzfrequenz und den Sauerstoffgehalt im Blut können heute sogar Consumer-Produkte messen. Diese Pulsoximeter sind als eigenständige Heimmedizingeräte erhältlich oder als Funktion in einen Fitness-Tracker oder eine Smart-Watch am Handgelenk integriert. Wer entsprechende Funktionen entwickeln will, muss die Grundlagen der Pulsoximetrie kennen. Ein Designbeispiel zeigt die Messung der Herzfrequenz und des Sauerstoffgehalts im Blut.

Eckdaten

Der Sauerstoffgehalt im Blut und die Herzfrequenz lassen sich heute mit Rotlicht- und Infrarot-LEDs messen, die inklusive Fotodiode, Analog-Frontend und digitalem Signalcontroller in Fitnessarmbänder und Smartphones passen. Microchip erklärt hier die Grundlagen und stellt ein Referenzdesign vor.

Oximetrie ist die Messung der Sauerstoffsättigung im Blut und wird meist als Prozentwert angegeben. Ein Pulsoximeter ist ein nicht invasives Gerät, das den Sauerstoffgehalt im Blut und die Herzfrequenz einer Person misst. Die Geräte lassen sich durch ihre Klemme leicht erkennen, die am Finger eines Patienten angebracht wird. Die Geräte werden von Krankenschwestern, Patienten zuhause, Fitness-Begeisterten und selbst von Piloten in Flugzeugen ohne Druckkabine verwendet.

Blutsauerstoffsättigung

Der Sauerstoffgehalt des Blutes wird durch eine Hämoglobin-Untersuchung gemessen. Dabei handelt es sich um das sauerstofftragende Pigment der roten Blutkörperchen, das ihnen die rote Farbe verleiht und dazu dient, Sauerstoff in das Gewebe zu leiten. Hämoglobin findet sich in zwei Formen: einmal als oxidiertes Hämoglobin (HbO2, also mit Sauerstoff angereichert), und als Hämoglobin ohne Sauerstoff (Hb, also sauerstoffarm). Die Sauerstoffsättigung im Blut (SPO2) ist das Verhältnis aus sauerstoffangereichertem und sauerstoffarmen Hämoglobin:

  • SPO2 = HbO2 / (Hb + HbO2)
Bild 1: Der Sauerstoffgehalt im Blut lässt sich wahlweise durch transmissive oder reflektive Oximetrie messen.

Bild 1: Der Sauerstoffgehalt im Blut lässt sich wahlweise durch transmissive oder reflektive Oximetrie messen.Microchip

Der Wert wird in Prozent angegeben und sollte üblicherweise bei 97 % oder höher liegen. Interessant bei Hämoglobin ist, wie es Licht reflektiert und absorbiert: Hb absorbiert mehr sichtbares Rotlicht und reflektiert dieses damit weniger. HbO2 absorbiert mehr Infrarot-Licht und reflektiert es weniger. Da sich die Sauerstoffsättigung im Blut durch den Vergleich zwischen Hb und HbO2 bestimmen lässt, kann man durch eine rote LED und durch eine Infrarot-LED, die durch ein Körperteil wie einen Finger oder ein Handgelenk hindurchscheint, die entsprechende Lichtintensität ermitteln. Bild 1 verdeutlicht die beiden Messmethoden, die dabei zum Einsatz kommen: Erstens die Messung des Lichtanteils, der das Gewebe durchdringt wird (transmissive Oximetrie). Zweitens die Messung des Lichtanteils, den das Gewebe reflektiert (Reflexions-Oximetrie).

Ein Beispiel für die transmissive Oximetrie findet sich in Krankenhäusern. Die meisten Patientenüberwachungssysteme verfügen dort über ein integriertes transmissives Pulsoximeter. Viele der neuen Highend-Wearables nutzen hingegen die Reflexions-Pulsoximetrie.

Herzfrequenz und Pulsrate

Beim Herzschlag wird Blut durch den Körper gepumpt und in Kapillaren gepresst, deren Volumen sich leicht erhöht. Zwischen den Herzschlägen nimmt das Volumen wieder ab. Diese Volumenänderung beeinflusst die Lichtmenge (Rotlicht oder Infrarot-Licht), die das Gewebe hindurchlässt. Obwohl diese Schwankungen sehr klein sind, kann ein Pulsoximeter sie messen. Dabei kommt der gleiche Messaufbau wie für den Blutsauerstoffgehalt zum Einsatz.

Bild 2: Rotlicht- und Infrarot-Pulssignale (IR) für die Pulsoximetrie. Ein Oszilloskop hat die Lichtsignale hier in Echtzeit erfasst.

Bild 2: Rotlicht- und Infrarot-Pulssignale (IR) für die Pulsoximetrie. Ein Oszilloskop hat die Lichtsignale hier in Echtzeit erfasst.Microchip

Pulsoximeter überwachen die Sauerstoffsättigung (SPO2) im Blut durch die Absorption des Rotlichts (Wellenlänge 600…750 nm) und Infrarot-Lichts (850…1000 nm) im sauerstoffangereicherten Hämoglobin (HbO2) und im sauerstoffarmen Hämoglobin (Hb). Dabei wird Rotlicht und Infrarot-Licht abwechselnd durch ein Körperteil (zum Beispiel Finger) an eine Fotodiode gesendet.

Messtechnik

Die Fotodiode empfängt das nicht-absorbierte Licht jeder LED und ein invertierender Operationsverstärker bereitet dieses Signal auf. Das Ergebnis repräsentiert die Lichtmenge, die der Finger absorbiert hat (Bild 2). Die Pulsamplituden (VPP) des Rotlicht- und Infrarot-Signals werden gemessen und in die effektive Spannung VRMS umgewandelt, um ein Verhältnis bilden zu können:

  • Verhältnis = (VRMS(RotlichtAC) / RotlichtDC) / (VRMS(IRAC) / IRDC)
Bild 3: Beispiel einer Kalibrierkurve für die Lookup-Table in einem Pulsoximeter. Sie ordnet dem berechneten Verhältnis einen konkreten SpO2-Wert zu.

Bild 3: Beispiel einer Kalibrierkurve für die Lookup-Table in einem Pulsoximeter. Sie ordnet dem berechneten Verhältnis einen konkreten SpO2-Wert zu.Microchip

Der SPO2-Wert lässt sich über das Verhältnis und eine Nachschlagetabelle (Lookup-Table) ermitteln, die auf empirischen Formeln basiert. Die Herzfrequenz wird auf Basis der A/D-Wandler-Abtastungen und der Abtastrate berechnet. Die Nachschlagetabelle ist ein wichtiger Bestandteil eines Pulsoximeters. Sie ist speziell auf das jeweilige Gerät ausgelegt und basiert auf Kalibrierkurven, die unter anderem durch zahlreiche Messungen von Patienten mit verschiedenen SPO2-Werten gewonnen wurden. Bild 3 zeigt ein Beispiel einer solchen Kalibrierkurve.

Schaltplan

Bild 4: Blockdiagramm eines transmissiven Pulsoximeters.

Bild 4: Blockdiagramm eines transmissiven Pulsoximeters.Microchip

Das Design in Bild 4 zeigt die Messung der Herzfrequenz und des Sauerstoffgehalts im Blut. Die verwendete SPO2-Messsonde ist ein gängiger Fingerclip, der eine Rotlicht-LED, eine IR-LED und eine Fotodiode enthält. Die LEDs werden über den LED-Treiberkreis angesteuert. Sie senden Rotlicht und IR-Licht durch den Finger, der Signalaufbereitungsschaltkreis erkennt die Signale und speist sie in das 12-Bit-ADC-Modul, das in den DSC (Digital Signal Controller) integriert ist. Der DSC berechnet den Prozentwert für SPO2.

Ein dualer einpoliger Analog-Umschalter, angesteuert über zwei PWM-Signale des DSC, schaltet die Rotlicht- und IR-LED abwechselnd ein und aus. Um die richtige Anzahl von ADC-Abtastungen zu erhalten und noch genügend Zeit für die Datenverarbeitung zu haben, bevor die nächste LED eingeschaltet wird, schaltet das Gerät die LEDs entsprechend des Ablaufdiagramms in Bild 5 ein und aus. Der LED-Strom (Lichtintensität) wird über einen 12-Bit-D/A-Wandler (DAC) geregelt, den der DSC ansteuert.

Bild 5: Ablaufdiagramm für die LED-Ansteuerung. Die Zeit zwischen zwei Pulsen muss dem DSC ausreichen, um das Signal auszuwerten.

Bild 5: Ablaufdiagramm für die LED-Ansteuerung. Die Zeit zwischen zwei Pulsen muss dem DSC ausreichen, um das Signal auszuwerten.Microchip

Signalaufbereitung

Der Signalaufbereitungskreis besteht aus zwei Stufen. Die erste ist der Transimpedanzverstärker, die zweite der Gain-Verstärker. Zwischen beiden Stufen befindet sich ein Hochpassfilter. Der Transimpedanzverstärker wandelt die von der Fotodiode erzeugten wenigen Mikroampere Strom in wenige Millivolt um. Das vom Verstärker der ersten Stufe empfangene Signal läuft dann durch einen Hochpassfilter, der Störungen durch Hintergrundlicht beseitigt.

Der Ausgang des Hochpassfilters führt an den Verstärker der zweiten Stufe – mit einem Verstärkungsfaktor von 22 und einer DC-Offset-Spannung von 220 mV. Diese Werte sind genau ermittelt, um das Ausgangssignal des Gain-Verstärkers in den ADC-Bereich der MCU zu verlegen. Der Ausgang des analogen Signalaufbereitungskreises ist mit dem integrierten 12-Bit-ADC-Modul des DSC verbunden. In diesem Beispiel kommt ein dsPIC von Microchip zum Einsatz. Der dsPIC33FJ128GP802 bietet nicht nur DSP-Funktionen, sondern auch Microchips Digitalfilter-Designtool.

Bild 6: Eingangssignal und gefilterte Daten. Rrot: Eingangssignal des FIR-Filters, Grün: Ausgangssignal, X-Achse: Zahl der ADC-Abtastungen, Y-Achse: ADC-Codewerte.

Bild 6: Eingangssignal und gefilterte Daten. Rrot: Eingangssignal des FIR-Filters, Grün: Ausgangssignal, X-Achse: Zahl der ADC-Abtastungen, Y-Achse: ADC-Codewerte.Microchip

Während jeder LED-Einschaltperiode erfolgt eine ADC-Abtastung, und während jeder LED-Ausschaltperiode ebenfalls eine weitere Abtastung. Zu den Herausforderungen bei lichtbasierten Messungen durch menschliches Gewebe passt ein Digital-FIR-Bandpassfilter 513. Ordnung, der sich via Filter-Designtool einfach implementieren lässt. Der Filter wirkt auf die ADC-Daten. Das Resultat dient dann zur Berechnung der Pulsamplitude (Bild 6). Die Spezifikationen des hier verwendeten FIR-Bandpassfilters lauten:

  • Abtastfrequenz: 500 Hz
  • Durchlassbereich-Frequenz: 1 und  5 Hz
  • Sperrbereich-Frequenz: 0,05 und 25 Hz
  • FIR-Fenster: Kaiser
  • Durchlassbereich-Welligkeit -0,1 dB
  • Sperrbereich-Welligkeit: 50 dB
  • Filterlänge: 513

Wachsender Markt

Der Markt für häusliche Medizintechnik und Fitness-Wearables wächst rasant. Die Nachfrage nach Geräten, mit denen sich die Herzfrequenz und der Sauerstoffgehalt des Blutes messen lassen, wird in den nächsten Jahren weiter steigen. Pulsoximeter-Referenzdesigns, wie das hier beschriebene, helfen Entwicklern ihre Designs schneller anzufertigen.