Photodiode und Sensor ermöglichen Erfassung von Vitalwerten

Laut Prognose der Analysten von Gartner steigt die weltweite Auslieferung von „Wearables“ im Jahr 2019 auf insgesamt 225 Millionen Einheiten. Dies entspricht einem Anstieg von 25,8 Prozent gegenüber 2018. Der Siegeszug von Wearables startete vor einigen Jahren mit Fitness-Trackern, die mit Beschleunigungssensoren die Schrittzahl und das Bewegungsprofil der Nutzer ermitteln. Seitdem hat sich die Verwendung optischer Sensoren zur Überwachung von Vitalwerten enorm diversifiziert. Sie bilden zum Beispiel die Grundlage zur Messung der Herzfrequenz oder des Sauerstoffgehalts im Blut. Wearables der aktuellen Generation erfassen diese Werte präzise über längere Zeiträume und zeigen Veränderungen auf. Die sogenannte Herzfrequenzvariabilität (HRV) ist eine Schlüsselgröße für das generelle Wohlbefinden. Sie zeigt beispielsweise an, ob und wie stark eine Person unter Stress oder körperlicher Belastung steht und wie lange die Erholungsphase dauert. Apps und Gadgets, die Vitalwerte erfassen und analysieren, benötigen jedoch eine Basis in Form von hochpräzisen Messwerten. Für Entwickler bietet dieser Anwendungsbereich daher einen sehr interessanten Markt, bei dem Entwicklungsfortschritte bei Photodioden und Sensoren neue Möglichkeiten für noch präzisere Biomonitoring-Systeme eröffnen.

Photoplethysmographie

Das im Blut enthaltene Hämoglobin absorbiert Licht. Auf dieser Tatsache beruht die optische Herzfrequenzmessung, die sogenannte Photoplethysmographie (PPG). Da sich die in den Arterien befindliche Blutmenge mit dem Herzzyklus ändert, verändert sich im gleichen Rhythmus auch das Messsignal (Abb. 1). Diese Messung erfolgt über einen Sensor, bestehend aus einer Lichtquelle und einem Detektor, der direkt auf der Haut aufliegen muss. Das Licht durchdringt Gewebe und Blutgefäße, wird absorbiert, transmittiert und zum Detektor reflektiert (Bild 2). Der Detektor liefert ein elektrisches Signal, dessen Stärke der registrierten Lichtmenge entspricht und aus dessen Periodizität sich die Puls- und Herzfrequenz ableiten lässt.

Die meisten Wearables messen den Puls mittels optischer Sensoren am Handgelenk. In der Medizin sind ähnliche Messverfahren seit Jahren im Einsatz. Mithilfe spezieller LEDs, Detektoren oder integrierter Sensorlösungen lassen sich heute miniaturisierte optische Pulssensoren umsetzen, was den Einzug dieser Technik in den Consumer-Markt ermöglichte. Ausgefeilte Algorithmen, die die analogen Messsignale auswerten und die Zielgröße von Störfaktoren bereinigen, sichern dabei eine hohe Qualität der Sensordaten. Die Grundlage für die Präzision der analogen Messsignale legen Entwickler allerdings bereits mit dem Design von Sensoren und Gesamtsystem.

Kernanforderungen an Komponenten und Design

Optische Sensoren zur Puls-, Herzfrequenz- und Blutsauerstoffmessung bestehen aus einer oder mehreren LEDs, einem Detektor, einer LED-Ansteuerung sowie einem Analog-Digital-Konverter (ADC) für das Detektorsignal. Ein möglichst niedriger Energieverbrauch für lange Batterielaufzeiten sowie eine geringe Bauteilgröße gehören zu den Kernanforderungen für den Einsatz von Komponenten in Wearables oder Smartphones. Bei der Wahl der LED müssen Entwickler neben der Effizienz zudem das Emissionsspektrum beachten. Die Lichtabsorption von Blut ändert sich sehr stark über die Wellenlänge. Daher lassen sich konsistente Ergebnisse für Messungen der Sauerstoffsättigung im Blut (S_PO₂) beispielsweise nur mit sehr schmalbandig abstrahlenden LED erzielen.

Bild 1: Detektorsignal einer PPG-Messung: die in den Arterien pulsierende Blutmenge erzeugt eine Signalfrequenz. Die Herzfrequenzvariabilität ergibt sich aus den Änderungen des Abstands zwischen zwei benachbarten Peaks. Osram Opto Semiconductor

In der Vergangenheit war diese Anforderung eine der Hürden für den Transfer präziser Messungen aus der Medizin in Consumer-Anwendungen, denn effiziente LEDs zeigten meist ein relativ breites Emissionsspektrum. Die Entwicklung der Dünnfilm-Chiptechnologie legte den Grundstein für hocheffiziente LEDs mit engen spektralen Bandbreiten von etwa 30 nm. Zusätzlich ermöglicht diese Technologie eine hohe Systemeffizienz. Denn Dünnfilm-LEDs strahlen fast ihr gesamtes Licht nach oben ab, sodass es die Anwendung fast komplett verwerten kann. Das Design muss außerdem sicherstellen, dass die Wellenlänge trotz der Erwärmung des Chips während der einzelnen Messungen stabil bleibt.

Neben der Temperaturstabilität von LEDs tragen kurze Pulse dazu bei, die Wellenlänge konstant zu halten. Je nach Algorithmus eignen sich zum Beispiel Pulslängen von weniger als 0,3 Millisekunden mit einer Wiederholrate von etwa zwei Millisekunden. Die Wahl der Wellenlänge hängt von der geplanten Messung ab. Für Sensoren am Handgelenk eignen sich grüne LEDs mit etwa 530 nm. Am Finger wird üblicherweise rotes (660 nm) oder infrarotes (940 nm) Licht eingesetzt.

Bild 2: PPG-Sensoren geben grünes, rotes oder infrarotes Licht ab, welches Haut, Gewebe und Blutgefäße durchstrahlt und auf einen Detektor reflektiert wird. Da Blut Licht absorbiert, lässt sich aus dem Detektorsignal die Herzfrequenz ableiten. Osram Opto Semiconductor

Bei Pulssensoren genügt die Messung mit einer Wellenlänge am Handgelenk. Zur Bestimmung der Blutsauerstoffsättigung erfolgt die Messung abwechselnd mit rotem und infrarotem Licht, da der S_PO₂-Wert aus der Differenz abgeleitet wird.

Für die Qualität des Detektors sind eine hohe Linearität, sehr gute Empfindlichkeit und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis ausschlaggebend. Die Linearität ist besonders für die Blutsauerstoffmessung wichtig, da hier präzise Werte des absoluten Photostroms (I_min und I_max) notwendig sind. Hierzu bieten sich großflächige Photodioden mit niedrigem Dunkelstrom an. Eine besonders kompakte Lösung bieten integrierte Sensoren wie der SFH 7070 und der SFH7072. Die Multichip-Sensoren sind speziell für Puls- und Blutsauerstoffmessungen in Wearables und Smartphones ausgelegt und beinhalten drei LEDs sowie eine Photodiode.

Bild 3: Aufgrund einer erheblich verbesserten Grün-Empfindlichkeit erzielt die Photodiode SFH 2201 noch genauere Ergebnisse für die Vitalzeichenüberwachung. Osram Opto Semiconductor

Für eine Herzfrequenzmessung ist die absolute Signalhöhe nicht von Interesse, der Pulswert ergibt sich aus dem AC-Anteil. Um das AC-Signal zu verstärken, lässt sich der konstante Signalanteil mit einem Bandpassfilter unterdrücken. Für eine Ableitung der Herzfrequenzvariabilität muss die Messung über einen längeren Zeitraum konsistent sein und die Peaks der Kurve sehr gut auflösen. Je genauer das System das reine Pulssignal herausarbeitet, desto besser lässt es sich weiterverarbeiten. Ein zentrales Kriterium für die Qualität des Gesamtsystems ist daher ein möglichst hohes AC/DC-Verhältnis.

Entwicklungsfortschritte

Eine verbesserte Energieeffizienz für lange Batterielaufzeiten sowie die Miniaturisierung der Bauteile gehören zu den wichtigsten Fortschritten bei der Weiterentwicklung des Biomonitorings. Hocheffiziente LEDs mit engen spektralen Bandbreiten ließen sich aufgrund der Dünnfilm-Chiptechnologie realisieren. Die Fortschritte bei der Temperaturstabilität von LEDs sowie kurze Pulse konnten erheblich dazu beitragen, neue System-Designs umzusetzen.

Das sogenannte Green-Gap-Phänomen, das einen Effizienzverlust bei grünen LED verursacht, stellte lange eine große Herausforderung für Entwickler dar. Ein entscheidender Durchbruch bei der Lösung dieses Problems gelang Osram Opto Semiconductors mit der neuen SFH 2201. Sie ist im grünen Spektralbereich um 36 Prozent empfindlicher als Vorgängermodelle. Die hohe Empfindlichkeit spielt eine wichtige Rolle bei der Erzielung genauer Ergebnisse für die Überwachung von Vitalzeichen, wie Pulsfrequenz oder Blutdruckmessung. Der geringe Vorwiderstand der grünen LED erlaubt Designern zudem ohne Charge-Pump zu arbeiten, was das elektronische System vereinfacht. Die niedrige Kapazität und schnelle Schaltzeit der SFH 2201 ist der Schlüssel, um mit höheren Abtastraten zu arbeiten, Energie zu sparen und die Messgenauigkeit zu erhöhen.

Weitere Kriterien für präzise Messwerte

Für die Messqualität ist es zudem entscheidend, dass kein Licht direkt von der LED auf den Detektor gelangt. Dieses Übersprechen (Cross-Talk) erzeugt ein hohes DC-Signal und verschlechtert das Signal-Rausch-Verhältnis. Optische Barrieren zwischen LED und Detektor können hier Abhilfe schaffen. Ein Teil des emittierten Lichts reflektiert direkt an der Haut oder an der Unterseite der Geräteabdeckung – je nachdem, wie der Sensor eingebaut ist. Gelangt dieses Licht durch einen Luftspalt zwischen reflektierender Fläche und optischer Barriere auf den Detektor, trägt es ebenfalls zum Übersprechen bei.

Bild 4: Großflächige Photodioden mit niedrigem Dunkelstrom, wie die SFH 2200, eignen sich aufgrund ihrer hohen Linearität und Empfindlichkeit ideal für die Blutsauerstoffmessung. Osram Opto Semiconductor

Photodetektoren mit Umgebungslichtfilter bilden eine Methode, den Einfall von Umgebungslicht auszuschalten. Um sicherzustellen, dass auch bei Bewegung immer mindestens ein Sensor guten Kontakt mit der Haut hat und genügend Licht liefert, empfiehlt es sich auf beiden Seiten des Detektors je eine LED einzubauen. Damit steht außerdem insgesamt mehr optische Leistung für die Messung zur Verfügung. Einige Sensor-Setups integrieren einen Bewegungssensor, um mit speziellen Algorithmen das Signal von solchen Bewegungseinflüssen zu bereinigen. Eine weitere Methode um sicherzustellen, dass Umgebungslichteffekte die Messwerte nicht verfälschen, ist je eine Messung mit und eine ohne LED, aus der das System dann die Differenz beider Signale bildet. Zu diesem Zweck geben einige Chipsätze ein entsprechendes Dunkelsignal aus.

Systemdesign und Einbau des Sensors

Sensorentwickler können mit den beschrieben Methoden den Einfluss von Bewegung oder Umgebungslicht kontrollieren. Faktoren wie die Hautfarbe und die Schweißbildung der Nutzer oder die Außentemperatur können sie allerdings nicht beeinflussen. Bei Kälte dringt beispielsweise weniger Licht durch die Haut. Ein Sensor muss daher unter Standardbedingungen höchste Messqualität liefern, damit er auch in schwierigem Umfeld noch zuverlässig arbeitet.

Bild 5: Speziell für hochgenaue Pulsmessungen am Handgelenk ausgelegt: der integrierte Sensor SFH 7072. Osram Opto Semiconductor

Ein wichtiger Ansatzpunkt für die geforderte Präzision ist der Übergang zwischen Sensor und Haut – die opto-mechanische Integration in das Endgerät. Externe optische Barrieren, die den Luftspalt zwischen Sensor und Geräteabdeckung überbrücken, können die Ergebnisse verbessern. Produktentwickler sollten auf jeden Fall alle Faktoren, wie das direkte Übersprechen im Sensor, Tageslichteffekte und den Einfluss von Bewegungen der Nutzer, beim Systemdesign beachten. Hierbei können speziell für dieses Anwendungsgebiet ausgelegte Komponenten helfen. Der SFH 7070 und SFH7072 aus der Biofy-Produktfamilie von Osram Opto Semiconductors für Biomonitoring-Anwendungen ist beispielsweise für die präzise Puls-S_PO₂-Messung am Handgelenk optimiert (Bild 3). Er besteht aus zwei grünen Sendern und einer Photodiode mit Umgebungslichtfilter. Die Emitter sitzen, durch optische Barrieren getrennt, auf beiden Seiten der Photodiode. Das Erfassen von Messsignalen wird durch besonders große Detektoren und Sender unterstützt und das Gehäuse minimiert zusätzlich die Lichtabsorption. Der Sensor kann ohne weitere Abdeckung direkt auf der Haut getragen werden.

(prm)