Abbildung 1: Die SpO2-Messung bei der Pulsoxymetrie beginnt mit der Messung der relativen Dämpfung der beiden optischen Wellenlängen (rot und infrarot) bezüglich des SpO2-Werts (Hb ist sauerstoffarmes, HbO2 ist sauerstoffreiches Blut).

Bild 1: Die SpO2-Messung bei der Pulsoxymetrie beginnt mit der Messung der relativen Dämpfung der beiden optischen Wellenlängen (rot und infrarot) bezüglich des SpO2-Werts (Hb ist sauerstoffarmes, HbO2 ist sauerstoffreiches Blut). (Bild: Oximetry.org)

Der Ansatz einer optisch gemessenen, peripheren kapillaren Sauerstoffsättigung (SpO2) stellt ein einfaches Konzept dar, ist aber in der Praxis recht kompliziert. Bei praktischen Implementierungen verwenden die Hersteller ein LED-Paar, eine LED für Infrarotlicht und eine weitere für sichtbares rotes Licht sowie ein einziger Fotodetektor. Dabei ist der wesentliche Marker für den SpO2-Wert nicht die absolute Dämpfung aller Wellenlängen, sondern die relative Dämpfung zwischen beiden Wellenlängen (Bild 1). Der Fotodetektor wandelt anschließend die eintreffenden Lichtsignale in Strom um, digitalisiert sie und behandelt sie mit ausgeklügelten, komplexen, medizinisch validierten Algorithmen, um so den SpO2 in Echtzeit zu ermitteln.

Allerdings ist der gemessene Blutstrom nicht konstant, denn er „pulsiert“ im Rhythmus des Herzschlags. In SpO2-Messungen stellt dieses Pulsieren einen Vorteil dar, da die Verarbeitungsalgorithmen mit seiner Hilfe neben dem SpO2-Wert auch die Pulsfrequenz ermitteln können (Bilder 2a und 2b). Bevor sich diese Algorithmen implementieren lassen, müssen die Rohsignale des Fotosensors verarbeitet werden, um Aspekte wie Empfindlichkeit, Umgebungslicht, Temperaturdrift, Kalibrierung, Filterung, Rauschen und physikalische Beschaffenheit zu berücksichtigen.

Abbildung 2(a): Die Übertragungsmuster von rotem Licht und Infrarotlicht sind zyklisch, sie werden durch den aufgrund des Herzschlags pulsierenden Blutstrom moduliert. Diese Modulation ist mit einem gleichstromähnlichen Versatz (Offset) behaftet.

Bild 2(a): Die Übertragungsmuster von rotem Licht und Infrarotlicht sind zyklisch, sie werden durch den aufgrund des Herzschlags pulsierenden Blutstrom moduliert. Diese Modulation ist mit einem gleichstromähnlichen Versatz (Offset) behaftet. Texas Instruments

Von der LED zum Sensor ist es keine gerade Linie und der größte Teil des LED-Lichts wird absorbiert oder gestreut, bevor es den Fotodetektor überhaupt erreicht, was die Beziehung zwischen dem empfangenen Photonenstrom und dem tatsächlichen SpO2-Wert verkompliziert. Da das Licht extrem stark gestreut wird, müssen die LEDs und der Fotosensor nicht einander gegenüberliegen, sondern können sich im rechten Winkel zueinander oder sogar nebeneinander befinden. Die Entwickler müssen natürlich den Algorithmus entsprechend dieser Anordnung anpassen.

Abstriche am Front-End führen zu Konstruktionsproblemen

Die Verwendung eines LED-zu-Fotosensor-Pfades zur Beurteilung eines physikalischen Parameters ist nur sehr schwer an die speziellen Anforderungen der SpO2-Messung anzupassen. Unter anderem müssen Entwickler diverse Probleme bewältigen:

  • Umgebungslicht: Ein interner Streueffekt bewirkt, dass das von der LED ausgegebene Licht den Finger zum Leuchten bringt. Dieser Effekt streut aber umgekehrt auch das gesamte von der Fingerkuppe „gesehene“ Umgebungslicht in Richtung Fotosensor. Das passiert auch dann, wenn die LED oder die Sensor-Anordnung mechanisch abgeschirmt ist. Ist das Umgebungslicht zu hell, wird der Fotosensor gesättigt und der optische Kanal ist nutzlos. Da das Umgebungslicht auch nicht konstant ist, muss das System diesen Offset-Fehler dynamisch unterdrücken. Dazu sind eine adaptive Verstärkung auf Hardwarebasis sowie Korrekturen auf algorithmischer Ebene erforderlich.
  • Temperaturkoeffizienten: Sowohl die Intensität als auch die Wellenlänge der beiden LEDs sind eine Funktion der Temperatur, ebenso die Kennlinie des Fotosensors. Daher muss die Datenanalyse, basierend auf der relativen Größe der Sensorausgabe für jede auftreffende Wellenlänge die Temperatur kompensieren.
  • Treiberstrom und Impulsbreite der LED: Jede LED besitzt sowohl eine optimale Treiberstromstärke als auch einen optimalen Ausgangspegel, bei denen der dynamische Bereich und die Leistung optimal sind. Die Stromstärke für jede LED muss deshalb dynamisch regelbar sein. Darüber hinaus erfolgt der Impuls der LEDs für das sichtbare und das Infrarotlicht abwechselnd. Dabei müssen die Impulsbreiten anpassbar sein, um ein Gleichgewicht zwischen Leistung, Energieverbrauch und Wärmeentwicklung zu erzielen.
  • Abtastrate: Da die Signale des menschlichen Körpers eine relativ niedrige Frequenz haben, liegen die Abtastraten bei der SpO2-Messung zwischen einhundert und einigen Tausend pro Sekunde. Die erforderliche Auflösung liegt dabei mit mindestens 16 Bit im mittleren bis hohen Bereich. Die meisten Systeme verwenden 18 bis 22 Bit. Das ADC-Subsystem muss ebenfalls in weiten Grenzen programmierbar sein, damit es die Variablen, die die minimalen und maximalen Werte der Fotosensor-Ausgabe beeinflussen, berücksichtigen kann.

Für ein komplett eigenständiges, batteriebetriebenes Pulsoxymeter mit Anzeige, das sich an den Finger klemmen lässt, ist die Stromsparschaltung eine entscheidende Komponente.

Genaueres zur Realisierung eines Pulsoxymeters, finden Sie auf der folgenden Seite.

Eckadten

Zur Messung des Sauerstoffgehaltes greifen Ärzte auf die Pulsoxymetrie zurück. Dabei prüfen Lichtsensoren die Sauerstoffsättigung im Blut des Patienten. Wichtig bei der Entwicklung ist es, Störfaktoren wie Umgebungslicht, Patientenbewegung oder Blutpulsation gering zu halten, damit der Fotodetektor präzise messen kann. Der Hochleistungs-IC von Maxim Integrated MAX30102 und das dazugehörige Entwicklunskit sind speziell für diese Aufgabe ausgelegt. Sie sammeln die unkalibrierten und unkorrigierten Messwerte und wandeln sie in nützliche Daten um.

Die Realisierung

Abbildung 2(b): Die relative Stärke und das Modulationsverhältnis rot/infrarot sind eine Funktion des SpO2-Werts.

Bild 2(b): Die relative Stärke und das Modulationsverhältnis rot/infrarot sind eine Funktion des SpO2-Werts. Texas Instruments

Eine erfolgreiche Konstruktion eines SpO2-Messgeräts beginnt mit der Integrität des Pfades LED – Fotodiode und seiner Ausgabe. Wenn der Ausgangsstrom des Sensors über einen großen Bereich von Betriebsbedingungen reproduzierbar ist, können die Algorithmen, die aus den Daten die Endergebnisse ermitteln, präzise Werte liefern.

Die vom analogen Front-End (AFE) gelieferte Sensorausgabe muss zwei sehr verschiedene Aufgaben erfüllen. Zuerst muss sie regelbare LED-Treiber zur Verfügung stellen und dann einen passenden Transimpedanzverstärker (TIA) sowie Verstärker- und Filterstufen bieten, die den sehr schwachen Strom der Fotodiode in eine Spannung umwandeln. Der TIA hat bezüglich der Fotodiode eine niedrige Impedanz und isoliert diese damit von Änderungen der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers. Er muss darüber hinaus rauscharm sein, um so die Ausgabe der Fotodiode nicht zu stören. Zudem muss er über einen großen Dynamikbereich (80 bis 100 dB) verfügen.

Abbildung 3: Der MAX30102 ist ein Multichip-IC mit sämtlichen AFE-Funktionen, der mit dem Prozessor über einen I2C-Anschluss kommuniziert.

Bild 3: Der MAX30102 ist ein Multichip-IC mit sämtlichen AFE-Funktionen, der mit dem Prozessor über einen I2C-Anschluss kommuniziert. Maxim Integrated

Ein Beispiel für einen speziellen Hochleistungs-IC für die SpO2-Messung ist der MAX30102 von Maxim Integrated, ein integriertes Pulsoxymetrie- und Herzfrequenz-Überwachungsmodul, das interne LEDs, einen Fotodetektor, optische Elemente und eine rauscharme AFE-Elektronik mitbringt. Ein I²C-Anschluss übermittelt die vom MAX30102 gelieferten, vollständig konditionierten, kalibrierten und digitalisierten Ausgangsdaten an einen Host-Mikrocontroller, auf dem die SpO2-Algorithmen implementiert sind.

Der Baustein passt in ein 5,6 × 3,3 × 1,55 mm³ großes optisches 14-Pin-Modul mit integriertem Abdeckglas. Er wird in einem Fingerclip angebracht. Der MAX30102 hat eine Leistungsaufnahme von unter 1 mW im aktiven Modus und 0,7 μA im Abschaltmodus. Er lässt sich mit einer 1,8-V-Stromversorgung mit einer zusätzlichen 5-V-Schiene für die internen LEDs betreiben..

Abbildung 4: Das physische Layout der Teilbereiche des MAX30102 entspricht dem Anwendungszweck des Bausteins: An einem Ende befinden sich die LEDs und am anderen der Sensor.

Bild 4: Das physische Layout der Teilbereiche des MAX30102 entspricht dem Anwendungszweck des Bausteins: An einem Ende befinden sich die LEDs und am anderen der Sensor. Maxim Integrated

Maxim Integrated bietet zur Verkürzung der Entwicklung und der Markteinführungszeit das Entwicklungskit MAX30102ACCEVKIT an, das aus einer USBOSMB-Hauptplatine und einer MAX30102DBEVKIT-Tochterplatine mit dem MAX30102 und einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser besteht. Der Beschleunigungsmesser ist für bestimmte Wearable-Anwendungen zur Kompensation von Bewegungen bei der Messung erforderlich. Das Kit umfasst Software zur Datenerfassung und -analyse, auf die der Nutzer über eine grafische Benutzeroberfläche zugreifen kann. Damit können die Benutzer Algorithmen ausführen und dynamische Anpassungen an die Betriebsbedingungen vornehmen.

Das Kit umfasst darüber hinaus die beiden medizinischen Standardalgorithmen PBA und SKA, die die Entwickler als Ausgangspunkt für die Entwicklung oder Verbesserung des eigenen Codes verwenden können.

Der PBA-Algorithmus sucht mit einem langsamen Schwellenwert nach Nulldurchgängen und schließt seinen Evaluierungszyklus mit jedem einzelnen Abtastpunkt ab, sodass keine Ausgabeverzögerung entsteht. Der SKA-Algorithmus wartet dagegen drei Sekunden lang und hält dann Ausschau nach einem Spitzenwert. Der Algorithmus wird einmal pro Sekunde ausgeführt und erfordert komplexere mathematische Berechnungen. PBA benötigt dagegen im Vergleich zu SKA erheblich weniger Daten und der Code ist weniger umfangreich.

Fazit

Abbildung 5: Mithilfe der grafischen Benutzeroberfläche des Entwicklungskits MAX30102ACCEVKIT können die Entwickler die LED-Parameter variieren und die Auswirkungen auf die Ausgabe des Fotosensors beobachten.

Bild 5: Mithilfe der grafischen Benutzeroberfläche des Entwicklungskits MAX30102ACCEVKIT können die Entwickler die LED-Parameter variieren und die Auswirkungen auf die Ausgabe des Fotosensors beobachten. Maxim Integrated

Eine erfolgreiche optische Biosensorik erfordert ein genau passendes AFE sowie eine geeignete Datenverarbeitung, welche die unkalibrierten, unkorrigierten Messwerte in nützliche Daten transformieren kann. Das MAX30102 von Maxim Integrated und das dazugehörige Evaluierungskit helfen bei der Lösung dieser Probleme und minimieren den erforderlichen Entwicklungsaufwand. Das Entwicklungskit von Maxim Integrated ist bei Digi-Key erhältlich.

Rich Miron

Rich_miron
(Bild: Digi-Key)
Strategic Marketing bei Technical Content Engineer

(prm)

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