Portable Pulsoximeter lassen sich mit digitalen Signalcontrollern der Serie dsPIC entwickeln.

Portable Pulsoximeter lassen sich mit digitalen Signalcontrollern der Serie dsPIC entwickeln. Microchip

Pulsfrequenz und Sauerstoffsättigung (SpO2) im Blut des Menschen sind wichtige Parameter, die medizinisches Personal in kritischen Situationen, beispielsweise bei Rettungs- oder Notarzteinsätzen oder in der Intensivmedizin, auf möglichst einfache Weise überwachen muss. Beide Parameter lassen sich mit einem portablen Pulsoximeter, das beispielseise an einen Finger des Patienten geclippt wird, nichtinvasiv erfassen.

Pulsoximeter nutzen zur Messung der Sauerstoffsättigung im Blut rotes Licht mit einer Wellenlänge von 600 bis 750 nm sowie Infrarot-Licht mit einer Wellenlänge von 850 bis 1000 nm und messen damit die charakteristische Lichtabsorption von sauerstoffreichem Hämoglobin (HbO2) und sauerstoffarmem Hämoglobin (Hb).

Bild 1: Blockdiagramm eines Pulsoximeters, bestehend aus Analogbauteilen, LEDs und einem digitalen Signalcontroller.

Bild 1: Blockdiagramm eines Pulsoximeters, bestehend aus Analogbauteilen, LEDs und einem digitalen Signalcontroller. Microchip

Nur wenige Bauteile

Zum Aufbau eines Pulsoximeters genügen wenige Analogbauteile, drei LEDs sowie ein digitaler Signalcontroller, beispielsweise aus der Familie dPICvon Microchip (Bild 1). Die Schaltung des Pulsoximeters sendet abwechselnd rote und infrarote Lichtpulse durch den Finger des Menschen auf eine Fotodiode. Sauerstoffreiches Hämoglobin absorbiert mehr infrarotes Licht und ist in diesem Fall durchlässiger. Sauerstoffarmes Hämoglobin hingegen absorbiert rotes Licht stärker und ist für infrarotes Licht transparenter. Die Fotodiode empfängt das nichtabsorbierte Licht aus jeder LED und erzeugt ein Signal, das über einen Operationsverstärker invertiert wird. Das Ergebnis (Bild 2) entspricht dem vom Finger absorbierten Licht.

Eck-daten

Zur Entwicklung eines portablen Pulsoximeters sind unter anderem eine rote und eine infrarote LED als Lichtquelle, eine Fotodiode als Empfänger, ein Mikrocontroller, ein Analogschalter sowie Transimpedanz- und Verstärkungsstufen-Verstärker mit zwischengeschaltetem Hochpassfilter erforderlich. Über das Funktionsprinzip eines Fingerclip-Pulsoximeters informiert dieser Beitrag.

Die Pulsamplituden der roten und Infrarot-Lichtsignale werden gemessen und in eine Spitzenspannung Ueff. umgewandelt. Das Verhältnis der Werte lässt sich wie folgt berechnen: Verhältnis = (rote AC-Veff/rote DC-Spannung):(infrarote AC-Veff/infrarote DC-Spannung). Die Sauerstoffsättigung lässt sich anhand des Verhältniswertes über eine Lookup-Tabelle ermitteln, während die Pulsfrequenz aus der Anzahl von A/D-Wandler-Abtastwerten und der Abtastfrequenz berechnet wird.

Lookup-Tabellen sind ein wichtiger Bestandteil des Systems. Sie gelten für ein bestimmtes Oximeter-Design und beruhen auf Kalibrierungskurven, die aus vielen Messungen an einer gesunden Versuchsperson bei unterschiedlichen Werten der Sauerstoffsättigung resultieren.

Mikrocontroller berechnet Sauerstoffsättigung

Bei dem hier vorgestellten SpO2-Messgerät handelt es sich um eine Nellcor-kompatible Fingerclip-Variante mit einer roten LED, einer Infrarot-LED sowie einer Fotodiode. Zur Ansteuerung der Leuchtdioden dienen geeignete Treiberschaltungen. Das den Finger durchdringende rote und infrarote Licht wird von der Signalaufbereitungsschaltung erfasst und anschließend an das 12-Bit-A/D-Wandlermodul des Mikrocontrollers weitergegeben, der die Sauerstoffsättigung berechnet.

Bild 2: Verlauf der in Echtzeit mit einem Oszilloskop aufgezeichneten roten (Red Pulsation Signal) und infraroten (IR Pulsation Signal) Pulssignale.

Bild 2: Verlauf der in Echtzeit mit einem Oszilloskop aufgezeichneten roten (Red Pulsation Signal) und infraroten (IR Pulsation Signal) Pulssignale. Microchip

Ein von zwei PWM-Signalen aus dem Mikrocontroller angesteuerter zweikanaliger Analogschalter schaltet abwechselnd die roten und infraroten LEDs ein und aus. Um eine entsprechende Anzahl an A/D-Wandler-Abtastwerten erfassen und die Daten verarbeiten zu können, bevor die nächste LED einschaltet, werden die LEDs entsprechend dem in Bild 3 gezeigten Timing-Diagramm ein- und ausgeschaltet.

Ein vom Mikrocontroller angesteuerter 12-Bit-D/A-Wandler steuert den Strom sowie die Helligkeit der LEDs. Die Signalaufbereitungsschaltung besteht aus zwei Stufen – dem Transimpedanz-Verstärker (Transimpedance Amplifier) und dem Verstärkungsstufen-Verstärker (Gain Stage Amplifier). Zwischen den beiden Verstärkerstufen befindet sich ein Hochpassfilter, der Störungen durch Hintergrundlicht verringert. Das Signal am Ausgang des Hochpassfilters liegt am Eingang der zweiten Verstärkerstufe mit einer Gain von 22 sowie einem DC-Offset von 220 mV an.

Digitaler Signalcontroller als Kern des Systems

Die Werte für Gain und DC-Offset des Verstärkers haben die Entwickler so gewählt, dass der Pegel des Ausgangssignals zum A/D-Wandlerbereich des Mikrocontrollers passt. Der Ausgang der Signalaufbereitungsschaltung ist mit dem A/D-Wandlermodul eines digitalen Signalcontrollers der Serie dsPIC verbunden. Während jeder LED-Einschaltperiode erfasst die Schaltung einen A/D-Wandler-Abtastwert. Einen weiteren A/D-Wandler-Abtastwert nimmt die Schaltung auf, während die beiden LEDs abgeschaltet sind.

Bild 3: Das Ein- und Ausschalten der LEDs erfolgt gemäß dieses Timing-Diagramms.

Bild 3: Das Ein- und Ausschalten der LEDs erfolgt gemäß dieses Timing-Diagramms. Microchip

Ein digitaler FIR-Bandpassfilter nutzt die digitale Signalverarbeitung in den Signalcontrollern zum Filtern der A/D-Wandler-Daten. Der Digitalfilter-Code lässt sich mit dem Digitalfilter-Entwicklungswerkzeug von Microchip erzeugen. Der FIR-Bandpassfilter hat eine Abtastfrequenz von 500 Hz mit Eckfrequenzen im Durchlassband von 1 und 5 Hz, Eckfrequenzen im Sperrband von 0,05 und 25 Hz, ein Kaiser-FIR-Fenster, eine Welligkeit im Durchlassband von 0,1 dB, eine Welligkeit im Sperrband von 50 dB sowie eine Filterlänge von 513.

Über einen UART-Port und mithilfe des PIC-Kit-Serial-Analyzers lassen sich die SpO2– und Pulsfrequenzdaten an einen Computer übermitteln. Das Pulssignal lässt sich beispielsweise mit der Daten-Display-GUI von Microchip für serielle Daten grafisch anzeigen. Alternativ lassen sich die Daten über den UART-Port an WiFi- oder Bluetooth-Module senden.