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Der optische Sensor Si117x bietet eine Lösung mit höherem Integrationsgrad. (Bild: Silicon Labs)

Die Hersteller von am Körper tragbaren Elektronikgeräten bauen laufend neue Funktionen zur Herzfrequenzmessung in ihre Gesundheits- und Fitnessprodukte ein. Unter anderem enthalten diese Herzfrequenzsensoren bestimmte Einzelkomponenten in den hochintegrierten Modulen, wie Analog-Front-End (AFE), Photodetektoren und Leuchtdioden (LEDs) etc. Diese Module unterstützen ein benutzerfreundlicheres Implementierungsmodell, mit dem sich die Herzfrequenzmessfunktion mühelos in Wearables integrieren lässt. Darüber hinaus lassen sich damit die Kosten sowie die Komplexität der Produkte verringern, gleichzeitig wird eine schrittweise Reduzierung der Kosten für Herzfrequenz-Messsensoren vorangetrieben.

Unterschiedliche Designanforderungen

Nicht immer sind die verschiedenen Herzfrequenz-Messanwendungen identisch, nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, dass die Systementwickler viele unterschiedliche Designanforderungen berücksichtigen müssen, unter anderem Produktkomfort, Erfassungsgenauigkeit, Systemkosten, Stromverbrauch und Abweisung von Sonneneinstrahlung, unterschiedliche Hauttypen, Bewegungsverminderung, Entwicklungsdauer und Körpergröße. Alle diese Entwicklungsfaktoren beeinflussen die Art und Weise der Systemintegration, beispielsweise durch Implementierung einer hochintegrierten Modullösung oder die Nutzung von integrierten Architekturen mit mehreren Einzelkomponenten.

Die Konzeption und Realisierung eines optischen Herzfrequenzmesssystems (HRM-System, auch als Photoplethysmographie beziehungsweise abgekürzt PPG bekannt) ist ein komplexes Projekt, das sich über mehrere Fachbereiche erstrecket. Zu den Designfaktoren zählen Human Engineering, Signalverarbeitung und -filterung, optisches und mechanisches Konzept, rauscharme Signalempfangsschaltung und rauscharme Stromimpulserzeugung.

Das gängige Basisverfahren zur Messung der Herzfrequenz nutzt den optischen Modus, der Herzfrequenzdruckwellen aus dem menschlichen Gewebe ausliest. Indem der Übertragungsweg des Strahls nach dem Eindringen in die Haut erfasst wird und durch die von den Herzfrequenzdruckwellen verursachten Blutausdehnungs- und -kontraktionsbewegungen können die über grüne LEDs in das menschliche Gewebe injizierten optischen Signale moduliert werden. Nach ihrem Weg durch die Haut kehren die Signale stark reduziert zurück und werden zur weiteren Verarbeitung durch eine Fotodiode an ein elektronisches Subsystem geleitet. Anschließend werden die aus dem Impuls abgeleiteten amplitudenmodulierenden Signale erfasst (Bewegungsrauschen wird ausgefiltert), analysiert und angezeigt.

Thema der nächsten Seite: Eines der grundlegenden technischen Konzepte ist ein maßgeschneiderter Microcontroller

Eines der grundlegenden technischen Konzepte von Herzfrequenzmesssystemen ist der Einbau eines maßgeschneiderten Microcontrollers (MCU). Dieser steuert die Impulssignalgenerierung der externen LED-Treiber und liest die aktuellen Leistungsdaten in einer separaten Fotodiode aus. Die Stromabgabe der vorgegebenen Fotodiode muss in Spannung umgewandelt und an Analog-Digital-Blöcke (A/D) ausgegeben werden.

In der Regel liegt der in einem Herzfrequenzsystem verwendete gepulste Strom zwischen 2 und 300 mA. Der jeweilige Wert ist abhängig von der Hautfarbe der Person, die das Gerät trägt, und vom auftreffenden Sonnenlicht, dem für die gewünschte Signalwirkung entgegengewirkt werden muss. Auch nur geringfügige Infrarotstrahlung im Sonnenlicht kann beim Eindringen in das Hautgewebe ebenfalls reduziert werden. Natürlich unterscheidet sich dies vom erwarteten, durch die grüne LED erzeugten Strahl. Dadurch kann das Signal des grünen Lichts möglicherweise unterdrückt werden, es sei denn, das gewählte grüne Licht ist sehr kräftig oder es wurde ein teurer Infrarot-Sperrfilter hinzugefügt. Die Intensität des grünen LED-Strahls, der in die Haut eindringt, beträgt normalerweise die 0,1- bis 3-fache Intensität des Sonnenlichts.

Mit dem optischen Sensor Si118x von Silicon Labs lässt sich auf relativ einfache, unkomplizierte Art und Weise ein Herzfrequenzmesskonzept realisieren. Entwickler müssen sich dann nur auf den optischen Teil des Designs konzentrieren und auf die Frage, wie sie die verschiedenen optischen Einheiten der Leiterplatte und das System auf die Haut abstimmen können. Zwar sind mit diesem Verfahren durchaus hochleistungsfähige Herzfrequenzmesslösungen möglich. Allerdings lassen sie sich nicht ausreichend miniaturisieren und sie sind nicht effizient genug.

Höherer Integrationsgrad

Um kleinere, kompaktere Lösungen realisieren zu können, müssen der LED-Chip und das Siliziummodul in ein einziges Gehäuse eingebaut werden, in dem alle erforderlichen Funktionen integriert sind, einschließlich optischer Einheiten und Linsen zur Verbesserung der LED-Leistung. Der optische Sensor Si117x von Silicon Labs bietet hier eine Lösung mit höherem Integrationsgrad.

Da die LED und die Fotodiode direkt in das Modul integriert wurden, erfordert diese Art der Herzfrequenzmessung keine zusätzlichen LEDs. Dieses kann direkt unter den optischen Anschlüssen installiert werden, beispielsweise unter der rückwärtigen Abdeckung von Wearables. Diese Methode verkürzt den Abstand zwischen LED und Fotodiode mehr als das separate, auf Einzelkomponenten beruhende Gerätedesign. Weiterhin unterstützt es den Betrieb bei extrem geringem Stromverbrauch aufgrund von geringerem Lichtverlust beim Eindringen in die Haut. Die Integration mehrerer LEDs kann zudem das Problem mit Lichtlecks zwischen der LED und der Fotodiode beheben. Es bietet den Vorteil, dass die Entwickler keine zusätzliche Lichtabschirmung für die Leiterplatte benötigen.

Silicon Labs stellt ferner einen Herzfrequenzalgorithmus bereit, der im optischen Sensor Si117x/8x zum Einsatz kommt und der nach dem Kompilieren in den meisten Prozessoren problemlos läuft. Falls die Entwickler von Wearables also nicht über die entsprechenden Ressourcen für die Entwicklung eines eigenen Algorithmus verfügen, haben sie die Möglichkeit, diese Art der Software von Drittanbietern in Form von Softwarelizenzen zu beziehen.

Geeigneter Integrationsgrad

Die Entscheidung über den geeigneten Integrationsgrad für die verschiedenen Herzfrequenzmessanwendungen liegt natürlich letztendlich beim Entwickler. Es steht den Entwicklern frei, bei Bedarf eine hochintegrierte Modullösung zu verwenden und einen lizenzierten Algorithmus zu kaufen, um so das Entwicklungsverfahren zu vereinfachen und die Produkteinführung zu beschleunigen. Entwickler mit umfangreichem Fachwissen im Bereich der optischen Messtechnik und reichlich Zeit und Ressourcen können sich hingegen auch für den Einsatz einzelner, ausgewählter Komponenten (Sensoren, Fotodioden und Linsen, etc.) und für ihre individuelle Systemintegration entscheiden und sogar einen exklusiven, eigenen Herzfrequenzmessalgorithmus entwickeln, um gegebenenfalls die Marktsegmentierung für die Produkte zu erweitern.

Der Sensor SI1171I5-B2-GMR ist bei Arrow Electronics erhältlich. Die lokalen Vertriebsbüros von Arrow stehen bei Fragen rund um das Entwicklungskit zur Verfügung.

 

Morrie Altmejd

Senior Systems Engineer bei Silicon Labs

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