Оптомеханическая интеграция мониторов сердечного ритма в носимые на запястье устройства

Носимые на запястье электронные устройства позволяют контролировать физиологические параметры во время занятий фитнесом, в повседневной деятельности и в течение сна. Значения этих параметров можно установить не инвазивным методом с помощью оптических датчиков, которые определяют частоту сердечных сокращений. Такую технологию, завоевавшую прочную репутацию в медицинской отрасли, можно применять и в носимых на запястье электронных устройствах.

Введение

Оптомеханическая интеграция светоизлучающих и светочувствительных элементов в биоизмерительные электронные устройства, которые надеваются на запястье, является важным шагом в проектировании носимой электроники. Качество сигнала можно существенно повысить путем выбора компонентов и геометрических параметров, которые минимизируют перекрестные помехи и в максимальной степени повышают отношение сигнала к шуму.

В статье рассматриваются оптические и механические аспекты проектирования, обеспечивающего оптимальные эксплуатационные характеристики. При проектировании оптической системы решается задача по взаимодействию светового излучения с кожей и кровью, а также осуществляется выбор соответствующих светодиодов и фотодатчика. Цель разработки механической конструкции изделия заключается в поиске способа, позволяющего улучшить контакт между оптической системой и кожей.

Принципы работы оптических датчиков

Оптические датчики измеряют частоту сердечных сокращений методом фотоплетизмографии (ФПГ ), осуществляющим скрининговую диагностику состояния сосудов. Объем крови, проходящей по артериям, меняется в соответствии с сердечными сокращениями. Большее количество крови протекает через артерии, когда сердце, сокращаясь, ее выталкивает (систолическая фаза),и меньше – когда сердечная мышца расслабляется (диастолическая фаза). При изменении объема протекающей крови между двумя этими фазами меняется коэффициент оптического поглощения артериального слоя. Направляя оптическое излучение на ткань и измеряя величину прошедшего света, можно определить, как менялся коэффициент поглощения в зависимости от объема крови, и по полученным результатам восстановить пульсирующий сигнал сердечного ритма.

Поскольку в силу технических причин очень трудно измерять частоту сердечных сокращений по интенсивности света, прошедшего в области запястья, измеряется отраженный свет. Монитор сердечного ритма (пульсометр) состоит из источника света и датчика, которые установлены в одной плоскости(см. рис. 1). Излучаемый свет проникает сквозь кожу, ткань, кровеносные сосуды и частично поглощается, рассеивается или отражается. Небольшая часть излучаемого света попадает в детектор. Поскольку объем крови в артериях меняется с каждым ударом сердца, изменяется доля поглощенного света и, следовательно, интенсивность сигнала датчика.

Рис. 1. Принцип измерения отраженного оптического сигнала

Взаимодействие света с кожей

Кожа состоит из трех основных слоев, расположенных в следующем порядке, начиная с поверхности: слой эпидермиса без кровеносных сосудов(толщиной 100 мкм); слой васкуляризованной дермы (толщиной 1–2 мм)и подкожной жировой ткани (толщиной1–10 мм в зависимости от участка тела).Как правило, оптические свойства этих слоев характеризуются коэффициентами поглощения μПОГЛ, рассеяния μРАССи анизотропии g.

Коэффициент поглощения определяет среднее количество актов поглощения фотонов на единицу пути при их прохождении по ткани. Основную долю излучения в видимом спектральном диапазоне поглощает меланин, кровь, состоящая из оксигемоглобина (Hb), дезоксигемоглобина (HbO2), и липиды. В диапазоне ИК излучения поглощающие свойства дермы определяются, главным образом, водой.

На рисунке 2 показана планарная семислойная оптическая модель человеческой кожи. В таблице 1 представлены характеристики этих слоев: толщина, объемные доли крови, воды и меланина(ϑКР, ϑВОД, ϑМЕЛ), а также значения коэффициента преломления разных слоев.

Рис. 2. Семислойная модель кожи

Таблица 1. Физические и оптические свойства семислойной модели кожи

Слой		Толщина	Объемная доля			Коэффициент преломления
		t, мкм	ϑКР	ϑвод	ϑМЕЛ	n
1.	Роговой слой	20	0	0,05	0,01-0,10	1,40
2.	Эпидермис	80	0	0,2	0	1,40
3.	Сосочковый слой дермы	150	0,0024	0,5	0	1,39
4.	Верхний сетчатый слой дермы	150	0,0060	0,6	0	1,39
5.	Сетчатый слой дермы	1000	0,0024	0,7	0	1,41
6.	Нижний сетчатый слой дермы	600	0,0120	0,7	0	1,41
7.	Подкожная жировая ткань	8000	0,0012	0,7	0	1,44

Пульсирующий сигнал, по которому определяется частота сердечных сокращений, исходит из артериального русла в нижнем сетчатом слое дермы. Спектр поглощения этого слоя рассчитывается с использованием спектров поглощения компонентов ткани и их соответствующих вкладов:

где S – коэффициент насыщения крови кислородом, который, как правило, равен 95% у здоровых людей; μ_{ПОГЛ, Hb},μ_{ПОГЛ, HbO2} – коэффициенты поглощения оксигемоглобина и дезоксигемоглобина; ϑ_КР – объемная доля крови; μ_{ПОГЛ, МЕЛ},ϑ_МЕЛ, μ_{ПОГЛ, ВОД}, ϑ_ВОД, μ_{ПОГЛ, ЖИР}, ϑ_ЖИР – коэффициенты поглощения и объемные долимеланина, воды и жира, соответственно.

С помощью уравнения (1) и измеренного спектра поглощения компонентов ткани [1] можно рассчитать коэффициент поглощения нижнего сетчатого слоя дермы в зависимости от длины волны излучения. На рисунке 3 представлены полученные результаты.

Рис. 3. Коэффициент поглощения нижнего сетчатого слоя дермы в зависимости от длины волны излучения

Рис. 4. Типовая оптомеханическая конструкция

Как видно из этого рисунка, пиковые значения коэффициентов поглощения приходятся на длины волн в диапазоне540–570 нм. На этих длинах волн поглощение меняется в большей мере в силу наибольшего изменения объема крови; при этом фотодиод регистрирует пульсирующий сигнал наибольшей амплитуды.

Выбор компонентов

Длина волны и эффективность светодиодов 

Чтобы сигнал, определяющий частоту сердечных сокращений методом ФПГ , имел наибольшую амплитуду, длина волны светодиодного излучения должна быть как можно ближе к пикам коэффициентов поглощения дезоксигемоглобина крови, т. е. находиться в диапазоне 540–570 нм (см. рис. 3).

Однако из-за того, что светоотдача светодиодов невелика в этом диапазоне зеленого цвета, предлагаемые на рынке светодиоды непригодны для практического использования в тех случаях, когда требуется обеспечить высокое отношение сигнала к шуму. Таким образом, в большинстве датчиков для измерений методом фотоплетизмографии применяются серийно выпускаемые светодиоды, излучающие на длине волны 530 нм.

Компания Maxim Integrated измерила спектры широко распространенных светодиодов, излучающих на волнах 530 нм (истинно зеленый цвет) и 590 нм (желтый).Компоненты с таким свечением и высокой светоотдачей выпускают многие компании, в т. ч. OSRAM, производящая светодиоды PointLED [2], у которых наиболее подходящий форм фактор для создания носимых на запястье электронных устройств с ФПГ датчиками от Maxim.

Фотодиоды

Фотодиод – один из наиболее критически важных компонентов, предназначенных для носимых пульсометров, поскольку именно этот датчик установлен в первом каскаде приемного тракта системы. Поскольку на рынке предлагается немало фотодиодов, необходимо выбрать из них компонент с высокой чувствительностью на основных рабочих длинах волн. Чувствительность определяет отношение электрического выходного сигнала к оптическому входному и часто выражается в единицах тока из расчета на 1 Вт поступающей мощности излучения (А/Вт).

Устройство с высокой чувствительностью позволяет определить небольшие сигналы сердечного ритма, рассеиваемые в ткани запястья. У кремниевыхPINфотодиодов, которые выпускаются очень многими производителями, наибольшая чувствительность в видимой и ближней ИК области спектра. PINфотодиоды компаний Vishay и OSRAMв наибольшей мере пригодны для носимых на запястье электронных устройств благодаря малому форм фактору [3–4].

Оптомеханические аспекты проектирования

Конструкция

Проектирование отвечающего требованиям ФПГ решения – очень сложный и часто недооцениваемый аспект. В предыдущем разделе мы обсудили ключевые функции и спецификации, которые учитываются при выборе оптических компонентов. Теперь давайте обсудим интеграцию этих компонентов для построения носимого на запястье электронного устройства для мониторинга сердечного ритма.

Успешная интеграция позволяет в максимальной степени увеличить сигнал, принимаемый датчиком, и отношение сигнала к шуму. Второй показатель можно повысить, увеличив до максимального значения проникающий глубоко в кожу сигнал, чтобы гарантированно обнаружить ФПГ импульс и свести к минимуму воздействие перекрестных помех на датчик от других источников сигналов, не имеющих отношения к ФПГ измерениям. На рисунке 4 представлена оптомеханическая конструкция устройства.

Из рисунка видно, что светодиоды и фотодиод заключены в прозрачный герметик, который препятствует попаданию влаги и является интерфейсом между оптическими компонентами и запястьем. Барьеры между светодиодами и фотодиодом создают оптическую изоляцию, благодаря которой в фотодиод попадает только тот свет, который прошел через ткани кожи. Вся конструкция слегка выступает на наручном ремешке, обеспечивая плотный контакт с кожей. Особенности этой конструкции мы обсудим ниже.

Герметизация

Оптическому модулю любого носимого устройства требуется герметизация, благодаря которой обеспечивается водонепроницаемость и увеличивается сигнал, поступающий в датчик. Герметик, у которого показатель преломления примерно равен показателю преломления кожи (1,4), позволяет минимизировать потери, вызванные френелевским отражением. Кроме того, благодаря частичной «податливости» этого материала увеличивается контактная площадь и давление на кожу. В качестве герметиков обычно применяются силиконы. В таблице 2 представлены характеристики силиконов, которые хорошо подходят для герметизации оптических модулей.

Таблица 2. Характеристики силиконовых материалов для герметизации

Производитель	Название	Цвет	Вязкость, сП	Коэфф, преломления	Пропускание (толщина: 3,2 мм)	Твердость по Шору	Примечания
Dow Corning	силиконовый эластомер Sylgard 184	бесцветный	3,500	1,4118 при 589 нм; 1,4225 при 632,8 нм	97% при 532 нм; 96% при 880 нм	43	высокое пропускание, гибкий эластомер
Dow Corning	оптический герметик El-1184	прозрачный	5300	1,42 при 632,8 нм	93% при 380 нм; 94% при 450 нм; 94% при 760 нм	А 61	отверждается до гибкого эластомера; время отверждения можно сократить, нагрев материал
Dow Corning	формовочный силикон MS-1002	оптически прозрачный	26250	1,41 при 632,8 нм	89% при 380 нм; 91% при 450 нм; 94% при 760 нм	А 72	благодаря высокой техноло­гичности можно создавать более сложные конструкции
Dow Corning	формовочный силикон MS-1003	оптически прозрачный	42300	1,41 при 632,8 нм	91% при 380 нм; 92% при 450 нм; 93% при 760 нм	А 51	благодаря высокой технологичности можно создавать более сложные конструкции
Dow Corning	формовочный силикон MS-4002	оптически прозрачный	25000	1,42 при 632,8 нм	89% при 380 нм; 92% при 450 нм; 93% при 760 нм	А84	благодаря высокой технологичности можно создавать более сложные конструкции
Dow Corning	формовочный силикон MS-4007	оптически прозрачный	10500	1,41 при 632,8 нм	91% при 380 нм; 93% при 450 нм; 94% при 760 нм	А 70	благодаря высокой технологичности можно создавать более сложные конструкции

Подавление перекрестных помех: световые барьеры

Перекрестная помеха состоит из поступающего в фотодиод сигнала, который не прошел ни через один слой кожи. Помехи высокого уровня заглушают пульсирующий сигнал сердечного ритма, не позволяя носимому устройству эффективно измерять пульс методом ФПГ . Чтобы обеспечить оптимальную эффективность устройства, следует минимизировать перекрестную помеху между излучающим светодиодом и фотодиодом. С этой целью применяются свето поглощающие барьеры(см. рис. 4).

Выступ: улучшение контакта с кожей Выступающая часть конструкции, как правило, используется для ослабления артефактов движения, обеспечивая хороший контакт между устройством и кожей (см. рис. 4).

Зазор между светодиодами и датчиком

Одним из главных вопросов при построении монитора сердечного ритма является определение оптимального зазора между светодиодами и фотодиодом. Это расстояние выбирается так, чтобы обнаруживались ФПГ сигналы и с максимальными, и минимальными пульсирующими составляющими. Амплитуды этих компонентов зависят не только от количества артериальной крови в освещаемой ткани, но и от интенсивности пульса в систолической фазе в периферическом сосудистом ложе.

Известны два метода повышения качества сигнала плетизмограммы. В первом из них используется большой ток для управления светодиодом, благодаря чему увеличивается глубина эффективного проникновения поступающего света за счет его более высокой интенсивности. При заданном расстоянии между светодиодом и фотодиодом излучение большей интенсивности позволяет лучше осветить сосудистое ложе. В результате в плетизмограмме появится больше составляющих пульсирующего сигнала. Однако из-за ограничений по максимальной рассеиваемой мощности производители задают ток, управляющий светодиодом, таким образом, чтобы он был не выше некоторого значения. Во втором методе фотодиод устанавливается в непосредственной близости со светодиодами.

Однако если фотодиод установлен слишком близко к светодиодам, он насыщается большой непульсирующей составляющей из-за многократного рассеяния падающих фотонов в роговом слое, в котором отсутствуют кровеносные сосуды, и в слоях эпидермиса. При постоянной интенсивности светового потока светодиода все излучение, регистрируемое фотодиодом, уменьшается, грубо говоря, экспоненциально с увеличением расстояния между светодиодами и фотодиодом в радиальном направлении. Другими словами, влияние зазора между светодиодами и фотодиодом на плетизмограммы с амплитудами отраженного сигнала светодиодов с зеленым и желтым свечением уменьшается с увеличением ширины этого зазора. Следовательно, ее выбор достигается путем компромисса. Для увеличения амплитуды регистрируемого пульсирующего сигнала следует установить датчик дальше от светодиодов и повысить их управляющий ток, чтобы преодолеть поглощение света в результате удлинения оптического тракта.

Влияние ширины зазора

Чтобы оценить влияние ширины зазора между светодиодами и фотодатчиком, применяются два ключевых показателя при измерениях методом ФПГ : эффективность собирания (ЭС)и перфузионный индекс (ПИ ). Эффективность собирания определяет долю мощности, которая возвращается на фотодиод при заданной выходной мощности светодиода. Оптический сигнал, поступающий на фотодиод, преобразуется в ток, состоящий из большой неизменной доли постоянного тока (DC)и малой доли варьирующейся переменной составляющей (АС ). Постоянная составляющая не несет информации о сердечном ритме, тогда как переменный компонент позволяет установить артериальный пульс [5] (см. рис. 5). Перфузионный индекс определяется как отношение переменной составляющей(пульсирующий поток крови) к постоянной составляющей (статический кровяной поток) в периферийной ткани. Этот показатель определяет интенсивность импульса в датчике. 

 Рис. 5. Диаграмма поглощения света кожей и соответствующие значения постоянного и переменного
токов

Рис. 6. Симуляция позволяет установить оптимальное расстояние между светодиодом и датчиком

Чем выше индекс, тем лучше характеристика прибора. Этот показатель зависит и от длины lтракта, проходящего через нижний сетчатый слой дермы, и от изменения величины коэффициента поглощенияΔμ, которые, в свою очередь, зависят от длины волны (2):

Величина перфузионного индекса определяется типом кожи, артефактами движения, окружающим освещением, физическим состоянием человека и количеством жира в его теле. В приложениях с использованием носимых на запястье электронных устройств уровень ПИ находится в диапазоне 0,02–2%;при этом нижняя граница диапазона соответствует очень слабому пульсу, а верхняя – очень сильному.

Поскольку хороший ФПГ сигнал достигается в результате компромисса между суммарной мощностью и ПИ , чувствительность устройства, характеризующая оптимальное расстояние между светодиодами и датчиком, определяется как произведение эффективности собирания на перфузионный индекс (ЭС∙ПИ ). Чувствительность прямо пропорциональна уровню сигнала переменного тока.

Влияние ширины зазора на перфузионный индекс было установлено путем симуляции с использованием метода МонтеКарло для трассировки оптических лучей, распространяющихся в сложной неоднородной поглощающей среде со случайным рассеянием. Образец для симуляции состоял из детекторовс активной площадью 1×1 мм, которые находились на расстоянии 1–10 мм от Ламбертовского излучателя – светодиода. Надсветодиодом и детекторами находилась семислойная модель кожи (см. рис. 6).Благодаря симуляции была определена эффективность собирания при заданной длине волны и расстояние между светодиодами и датчиком. Последующая обработка полученных результатов позволила установить соответствующую длину тракта в нижнем сетчатом слое дермы. Зная эту длину и величину изменения коэффициента поглощенияΔμ, с помощью уравнения (2) можно рассчитать ПИ . Результаты симуляции представлены на рисунках 7–9 для длин волн 530, 560, 574 и 590 нм. Из рисунка 9 видно, что при расстоянии до 3 мм между светодиодами и фотодатчиком максимальная амплитуда ФПГ сигнала достигается на длине волны 574 нм. При большем расстоянии наилучший сигнал обеспечивается на 590 нм. Компания Maxim предлагает ИС для носимых на запястье пульсометров. Компоненты MAX86140 и MAX86141 представляют собой полностью интегрированные системы сбора оптических данных, которые идеально подходят для оптической пульсовой оксиметрии и приложений по определению частоты сердечного ритма. Обе микросхемы оснащены оптическими каналами для считывания и обработки сигналов с функцией гашения окружающего освещения, а также цифроаналоговыми преобразователями сильноточных светодиодных драйверов, образующими всю считывающую сигнальную цепь. ИСMAX86140 состоит из одного оптического считывающего канала, а микросхема MAX86141 – из двух каналов, которые могут работать одновременно. У каждой ИС – по три светодиодных драйвера. Эти микросхемы предназначены для широкого ряда приложений по измерению оптических сигналов. При использовании ИС MAX86140и MAX86141 для сбора данных необходимо решить вопрос о том, как интегрировать светодиоды и фотодатчик в промышленное оборудование. Мыв общих чертах описали работу отражательных мониторов сердечного ритма, в т. ч. их взаимодействие с кожей, выбор светоизлучающих и светоизмерительных элементов. Кроме того, были даны практические рекомендации по вопросам интеграции оптических компонентов, позволяющей в максимальной мере повысить качество сигналов.

Рис. 7. Эффективность собирания в зависимости от расстояния между светодиодами и фотодатчиком

Рис. 8. Перфузионный индекс в зависимости от зазора между светодиодами и фотодатчиком

Рис. 9. Зависимость произведения эффективности собирания на перфузионный индекс (ЭС∙ПИ) от расстояния между светодиодами и фотодатчиком

Выводы

Небольшие полнофункциональные ИС с аналоговым интерфейсом упрощают интеграцию биоизмерительных функций, в т. ч. мониторинга пульса в носимые на запястье электронные устройства. Работоспособность этих носимых датчиков в большой мере зависит от тщательного выбора оптических компонентов и оптомеханической интеграции в конечное приложение. При выборе оптических компонентов ключевыми параметрами являются длина волны и светоотдача светодиодов, а также длина волны и чувствительность фотодатчика. Чтобы обеспечить сигнал наивысшего качества, необходимо обеспечить герметизацию устройства, создать барьер для подавления перекрестных помех и корректно рассчитать ширину зазора между светодиодами и датчиком.

Литература

1. T. Lister, P. A. Wright, and P. H. Chappell.Optical Properties of Human Skin. Journal ofBiomedical Optics 17 (9). September. 2012.

2. Osram. PointLED Datasheet Version 1.0. LTPWSG. March 18. 2016.

3. Vishay Semiconductors, Silicon PINPhotodiode Datasheet, VEMD5010X01. March21. 2016.

4 . Osram. Si l i con PIN Photodi odeDatasheet Version 1.4. BP104S. March 31.2016.

5. J. G. Webster. Design of Pulse Oximeters.Series in Medical Physics and BiomedicalEngineering. Taylor & Francis. New York. USA.1997

Автор

Джуди Херман (Judy Hermann)

Опубликовано в журнале "Электронные Компоненты" №7, 2020 г.

www.elcomdesign.ru