บทคัดย่อ

การออกแบบอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่สะดวกกว่าและใช้พลังงานน้อยลงมีความสําคัญมากกว่าที่เคย บทความนี้ครอบคลุมพื้นฐานของ SpO₂ การวัดและแสดงให้เห็นว่าส่วนหน้าแบบออปติคัลอะนาล็อก (AFE) รุ่นใหม่สามารถช่วยสร้างเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนที่ดีขึ้นได้อย่างไร อุปกรณ์ใหม่สามารถลดความซับซ้อนในการออกแบบลดภาระในการออกแบบกลไกและลดการใช้พลังงาน.

บทนํา

ตามเนื้อผ้า ความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดส่วนปลาย (SpO₂) เป็นการวัดที่อุปกรณ์ต่อพ่วงของร่างกายบนนิ้วหรือหู โดยส่วนใหญ่จะใช้อุปกรณ์คลิปเพื่อกําหนดอัตราส่วนของฮีโมโกลบินอิ่มตัวของออกซิเจนต่อฮีโมโกลบินทั้งหมด การวัดนี้ใช้เพื่อบอกว่าเซลล์เม็ดเลือดแดงขนส่งออกซิเจนจากปอดไปยังส่วนอื่นๆ ของร่างกายได้ดีเพียงใด SpO ปกติ₂ ระดับแตกต่างกันไปตั้งแต่ 95% ถึง 100% ในผู้ใหญ่ที่มีสุขภาพดี ระดับที่ต่ํากว่าช่วงนี้บ่งชี้ถึงภาวะที่เรียกว่าภาวะขาดออกซิเจนในเลือด ซึ่งหมายความว่าร่างกายขนส่งออกซิเจนไม่เพียงพอเพื่อรักษาอวัยวะและการทํางานขององค์ความรู้ให้แข็งแรง.

ผู้ที่เป็นโรคขาดออกซิเจนในเลือดอาจมีอาการวิงเวียนศีรษะ สับสน หายใจถี่ และปวดศีรษะ เงื่อนไขทางการแพทย์หลายอย่างอาจทําให้ออกซิเจนในเลือดไม่ดี และอาจต้องมีการเฝ้าระวังอย่างต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่องที่บ้านหรือในสถานพยาบาล.

เอสพีโอ₂ เป็นหนึ่งในสัญญาณชีพที่พบบ่อยที่สุดที่บันทึกไว้ในสถานพยาบาล เงื่อนไขบางอย่างที่ต้องใช้ SpO ต่อเนื่อง₂ การติดตาม ได้แก่ โรคหอบหืด โรคหัวใจ ปอดอุดกั้นเรื้อรัง โรคปอดบวม และภาวะขาดออกซิเจนที่เกิดจาก COVID-19.

วิธีหนึ่งในการตรวจสอบว่าผู้ป่วย COVID-19 ที่มีอาการจําเป็นต้องทํา hos-pitalization หรือไม่คือการตรวจสอบ SpO ของพวกเขา₂ ระดับ หากระดับเหล่านั้นต่ํากว่าตัวเลขพื้นฐาน (โดยปกติต่ํากว่า 92%) จะต้องเข้ารับการตรวจในห้องฉุกเฉิน.

ความเชื่อมโยงล่าสุดระหว่าง COVID-19 กับภาวะขาดออกซิเจน

เมื่อเร็ว ๆ นี้ ผู้ป่วย COVID-19 ได้รับการวินิจฉัยว่ามีภาวะร้ายกาจที่เรียกว่าภาวะขาดออกซิเจนแบบเงียบ ภาวะขาดออกซิเจนแบบเงียบสามารถสร้างความเสียหายอย่างรุนแรงต่อร่างกายได้ก่อนที่จะเกิดอาการทางเดินหายใจทั่วไปของ COVID-19 เช่น หายใจถี่ บทความบนเว็บไซต์ศูนย์สารสนเทศเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ¹ ระบุว่า "ความสามารถในการตรวจจับภาวะขาดออกซิเจนในรูปแบบเงียบนี้ในผู้ป่วย COVID-19 ก่อนที่พวกเขาจะเริ่มมีอาการหายใจถี่เป็นสิ่งสําคัญในการป้องกันไม่ให้โรคปอดบวมลุกลามไปสู่ระดับอันตราย.”

เอสพีโอ₂ การตรวจสอบยังเป็นตัวบ่งชี้สําคัญในการวินิจฉัยภาวะหยุดหายใจขณะหลับ ภาวะหยุดหายใจขณะหลับอุดกั้นทําให้ทางเดินหายใจอุดตันบางส่วนหรือทั้งหมดระหว่างการนอนหลับ สิ่งนี้สามารถสังเกตได้จากการหยุดหายใจเป็นเวลานานหรือการหายใจตื้นทําให้เกิดภาวะขาดออกซิเจนชั่วคราว หากไม่ได้รับการรักษาเมื่อเวลาผ่านไป ภาวะหยุดหายใจขณะหลับสามารถเพิ่มโอกาสในการเกิดอาการหัวใจวาย โรคหลอดเลือดสมอง และโรคอ้วนได้ คาดว่าภาวะหยุดหายใจขณะหลับส่งผลกระทบระหว่าง 1% ถึง 6% ของประชากรผู้ใหญ่ทั้งหมด.

ความต้องการเร่งด่วนสําหรับเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดที่ดีขึ้นทั้งในปัจจุบันและอนาคต

เนื่องจากการดูแลผู้ป่วยมีแนวโน้มไปสู่การตรวจติดตามผู้ป่วยนอกและที่บ้านจึงจําเป็นต้องพัฒนาอุปกรณ์ตรวจสอบสัญญาณชีพที่จะไม่ขัดขวางผู้ใช้จากการทํางานประจําวันให้สําเร็จ ในกรณีของ SpO₂, การตรวจสอบพื้นที่อื่นที่ไม่ใช่นิ้วและหูจะนําเสนอความท้าทายในการออกแบบมากมาย การเกิดขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ของภาวะขาดออกซิเจนแบบเงียบทําให้กรณีของการพัฒนาหน่วยเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดระดับคลินิกแบบพกพามากขึ้นน่าสนใจยิ่งขึ้น.

บทความนี้จะอธิบายหลักการพื้นฐานบางประการของ SpO₂ การวัดและแนะนํา AFE ออปติคัลรุ่นล่าสุดของ ADI เอดีพีดี4100 และ เอดีพีดี4101, ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบสําหรับ SpO เกรดทางการแพทย์₂ อุปกรณ์ การปฏิเสธแสงโดยรอบอัตโนมัติประสิทธิภาพสูงในตัวช่วยลดภาระในการออกแบบทางกลและอิเล็กทรอนิกส์ ช่วงไดนามิกสูงใน ADPD4100 ที่ใช้พลังงานต่ําช่วยลดจํานวนโฟโตไดโอดหรือกระแสไฟ LED ในการออกแบบเพื่อกําหนดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยใน SpO ของผู้ป่วย₂ ระดับอย่างมีประสิทธิภาพ สุดท้ายตัวเลือกตัวรวมระบบดิจิทัลช่วยให้ผู้ใช้สามารถเข้าสู่โหมดการใช้พลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อให้สามารถทํางานได้นานขึ้นในโซลูชัน PPG แบบพกพาโดยการปิดใช้งานบล็อกอะนาล็อกในเส้นทางสัญญาณออปติคัล.

ความอิ่มตัวของออกซิเจนคืออะไร?

ความอิ่มตัวของออกซิเจนคือเปอร์เซ็นต์ของฮีโมโกลบินอิ่มตัวของออกซิเจนภายในเลือดเมื่อเทียบกับฮีโมโกลบินที่มีอยู่ทั้งหมด มาตรฐานทองคําสําหรับการวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนคือการวัดออกซิเจนในเลือดห้องบน SaO₂. อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ต้องมีการวิเคราะห์ก๊าซในเลือดในห้องปฏิบัติการของตัวอย่างเลือด ส่วนการสอบเทียบครอบคลุมเรื่องนี้ในเชิงลึกมากขึ้น.

เอสพีโอ₂ เป็นการประมาณระดับความอิ่มตัวของออกซิเจนที่วัดที่อุปกรณ์ต่อพ่วงของร่างกายโดยใช้เครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือด วิธีที่พบบ่อยที่สุดในการวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนคือการใช้เครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดที่วางอยู่บนนิ้ว.

เครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดทํางานอย่างไร?

เครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดทํางานบนหลักการที่การดูดกลืนแสงในฮีโมโกลบินที่มีออกซิเจน (HbO₂) และฮีโมโกลบินที่ปราศจากออกซิเจน (RHb) แตกต่างกันอย่างมีนัยสําคัญที่ความยาวคลื่นแสงจําเพาะ รูปที่ 1 แสดงค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของ HbO₂, Hb และ methemoglobin (MetHb) ในสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้และอินฟราเรด ค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์คือการวัดว่าสารเคมีดูดซับแสงได้แรงเพียงใดที่ความยาวคลื่นที่กําหนด จากรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่า HbO₂ ดูดซับแสงสีแดง (600 นาโนเมตร) ได้มากขึ้น และช่วยให้แสงอินฟราเรด (940 นาโนเมตร) ผ่านได้มากขึ้น RHb ดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นอินฟราเรดได้มากกว่า ซึ่งช่วยให้แสงสีแดงผ่านได้มากกว่าใน HbO₂.

เครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดพื้นฐานที่สุดประกอบด้วย LED สองดวง (LED สีแดง 660 นาโนเมตรหนึ่งดวงและ LED อินฟราเรด (IR) 940 นาโนเมตรหนึ่งดวง) และโฟโตไดโอด (PD) เดี่ยวในการกําหนดค่าสะท้อนแสงหรือการส่งผ่าน (ดูรูปที่ 4) เครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดจะกะพริบไฟ LED สีแดงและวัดสัญญาณที่ได้บน PD ทําซ้ําสําหรับ IR LED และสุดท้ายโดยปิดไฟ LED ทั้งสองดวงเพื่อให้ได้พื้นฐานสําหรับแหล่งกําเนิดแสงภายนอกโดยรอบ สิ่งนี้สร้างสัญญาณ photoplethysmography (PPG) สําหรับความยาวคลื่นทั้งสอง.

สัญญาณประกอบด้วยส่วนประกอบ DC และ AC ส่วนประกอบ DC เกิดจากสารสะท้อนแสงอย่างต่อเนื่อง เช่น ผิวหนัง กล้ามเนื้อและกระดูก และเลือดดํา เมื่อร่างกายหยุดนิ่งและการเคลื่อนไหวเป็นปัจจัยน้อยลงส่วนประกอบ AC ประกอบด้วยแสงสะท้อนจากการเต้นของเลือดแดงเป็นหลัก ส่วนประกอบ AC ขึ้นอยู่กับอัตราการเต้นของหัวใจและความหนาของหลอดเลือดแดง โดยมีแสงสะท้อนหรือส่งผ่านในซิสโตลิก (ปั๊ม) มากกว่า dystopic (การผ่อนคลาย) ในช่วงซิสโตลิกเลือดจะถูกสูบฉีดจากหัวใจซึ่งจะเพิ่มความดันโลหิตในห้องบน การเพิ่มขึ้นของความดันโลหิตจะขยายหลอดเลือดแดงและนําไปสู่การเพิ่มขึ้นของปริมาณเลือดในห้องบน การเพิ่มขึ้นของเลือดนี้ทําให้การดูดซึมแสงเพิ่มขึ้น ความดันโลหิตลดลงในช่วงไดแอสโตลิก ดังนั้นการดูดกลืนแสงก็เช่นกัน รูปที่ 3 แสดงรางไดแอสโตลิกและจุดสูงสุดของซิสโตลิกที่เกิดจากการเต้นของหัวใจ.

กฎเบียร์-แลมเบิร์ตอธิบายว่าแสงจะสลายตัวแบบทวีคูณเมื่อเดินทางผ่านวัสดุที่ดูดซับ สามารถใช้เพื่อกําหนดระดับของฮีโมโกลบินที่มีออกซิเจนต่อฮีโมโกลบินทั้งหมด.

ความเข้มของแสงที่ดูดซับที่ไดแอสโตลและซิสโตลสัมพันธ์กันโดย:

โดยที่ α วัดอัตราการดูดกลืนแสงในเลือดห้องบน และ d2 คือแอมพลิจูด AC ของสัญญาณ PPG (ดูรูปที่ 3) I_{ไดแอสโตล} เท่ากับส่วนประกอบ DC ที่มีป้ายกํากับ d1.

ด้วยการคํานวณ AC และ DC จากสัญญาณ PPG เราสามารถระบุการเปลี่ยนแปลงของการดูดกลืนแสงในเลือดห้องบน –α.d2 ที่เกิดจากการสูบฉีดเลือดจากหัวใจโดยไม่มีส่วนสนับสนุนจากเนื้อเยื่ออื่น ๆ.

อัตราส่วนของส่วนประกอบ AC ต่อส่วนประกอบ DC เรียกว่าดัชนีการไหลเวียน ซึ่งเป็นอัตราส่วนของการไหลเวียนของเลือดที่เต้นเป็นจังหวะต่อการไหลเวียนของเลือดแบบคงที่แบบไม่เต้นเป็นจังหวะ เป้าหมายของอัตราการเต้นของหัวใจตาม PPG หรือ SpO₂ ระบบการวัดคือการเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณ AC ต่อ DC.

PI = ไฟฟ้ากระแสสลับ/กระแสตรง

ดัชนีการไหลเวียนสําหรับความยาวคลื่นอินฟราเรดและสีแดงสามารถใช้คํานวณอัตราส่วนของอัตราส่วน (RoR) ซึ่งเป็นอัตราส่วนของ PI_{สีแดง} เป็น PL_IR. เนื่องจากการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นที่กําหนดเป็นสัดส่วนกับ

ในทางทฤษฎี RoR สามารถแทนที่เป็นสูตรต่อไปนี้เพื่อคํานวณ SpO₂:

ที่ไหน: E_{HbO2 สีแดง} = ค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของ HbO₂ ที่ 600 นาโนเมตร, E_{HbO2, ไอเรด} =  ค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของ HbO₂ ที่ 940 นาโนเมตร

E_{RHb, ไอเรด} = ค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของ RHb ที่ 940 นาโนเมตร, E_{RHb สีแดง} = ค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของ RHb ที่ 600 นาโนเมตร

อย่างไรก็ตาม กฎ Beer-Lambert ไม่สามารถใช้ได้โดยตรง เนื่องจากมีปัจจัยแปรผันหลายประการในการออกแบบออปติคัลทุกแบบที่ทําให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ RoR เป็น SpO₂ ความสัมพันธ์ ซึ่งรวมถึงการออกแบบแผ่นกั้นเชิงกลระยะห่าง LED ถึง PD การปฏิเสธแสงโดยรอบแบบอิเล็กทรอนิกส์และเชิงกลข้อผิดพลาดในการรับ PD และอื่นๆ อีกมากมาย.

เพื่อให้ได้ความแม่นยําระดับทางคลินิกจาก SpO ที่ใช้ PPG₂ เครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือด ตารางการค้นหาหรืออัลกอริทึมต้องได้รับการพัฒนาสําหรับความสัมพันธ์ระหว่าง RoR และ SpO₂.

การสอบเทียบ

จําเป็นต้องมีการสอบเทียบระบบการวัดเพื่อพัฒนา SpO ที่มีความแม่นยําสูง₂ อัลกอริทึม เพื่อปรับเทียบ SpO₂ ระบบ การศึกษาจะต้องเสร็จสิ้นโดยที่ระดับออกซิเจนในเลือดของผู้เข้าร่วมลดลง สิ่งนี้เรียกว่าการศึกษาภาวะขาดออกซิเจน.

The SpO₂ ระบบการวัดสามารถแม่นยําเท่ากับการอ้างอิงเท่านั้น ตัวเลือกอ้างอิง ได้แก่ เครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดแบบคลิปหนีบนิ้วเกรดทางการแพทย์และเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนร่วมมาตรฐานทองคํา co-oximeter เป็นวิธีการรุกรานในการวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดที่ให้ความแม่นยําสูง แต่ในกรณีส่วนใหญ่ไม่สะดวกในการบริหาร.

กระบวนการสอบเทียบใช้เพื่อสร้างเส้นโค้งที่เหมาะสมที่สุดของค่า RoR ที่คํานวณจาก SpO แบบออปติคัล₂ อุปกรณ์ไปยัง co-oximeter SaO₂ การวัด เส้นโค้งนี้ใช้เพื่อสร้างตารางการค้นหาหรือสมการสําหรับการคํานวณ SpO₂.

จําเป็นต้องมีการสอบเทียบสําหรับ SpO ทั้งหมด₂ การออกแบบเป็น RoR ขึ้นอยู่กับตัวแปรหลายประการ เช่น ความยาวคลื่นและความเข้มของ LED การตอบสนอง PD การจัดวางร่างกาย และการปฏิเสธแสงโดยรอบ ซึ่งจะแตกต่างกันไปในแต่ละการออกแบบ.

ดัชนีการไหลเวียนที่เพิ่มขึ้น และในทางกลับกัน ช่วงไดนามิก AC ที่สูงบนความยาวคลื่นสีแดงและ IR จะเพิ่มความไวของการคํานวณ RoR และในทางกลับกัน จะส่งคืน SpO ที่แม่นยํายิ่งขึ้น₂ การวัด.

ในระหว่างการศึกษาภาวะขาดออกซิเจนจําเป็นต้องบันทึกการวัด 200 ครั้งที่มีระยะห่างเท่า ๆ กันระหว่างความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือด 100% ถึง 70% อาสาสมัครจะถูกเลือกด้วยสีผิวที่หลากหลาย และอายุและเพศที่เท่าเทียมกัน ความแปรปรวนของสีผิว อายุ และเพศนี้ส่งผลให้ดัชนีการไหลเวียนแตกต่างกันจากการแพร่กระจายของบุคคล.

ข้อผิดพลาดโดยรวมสําหรับเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดแบบส่งผ่านต้องเป็น ≤3.0% และ ≤3.5% สําหรับการกําหนดค่าแบบสะท้อนแสง.

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ:

ส่งผ่านกับสะท้อนแสง

สามารถรับสัญญาณ PPG ได้โดยใช้การกําหนดค่า LED และ PD แบบส่งผ่านหรือสะท้อนแสง การกําหนดค่าแบบส่งผ่านจะวัดแสงที่ไม่ดูดซับที่ผ่านส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกาย การกําหนดค่านี้เหมาะที่สุดสําหรับบริเวณต่างๆ เช่น นิ้วมือและติ่งหู ซึ่งการวัดได้รับประโยชน์จากความหนาแน่นของเส้นเลือดฝอยของตําแหน่งของร่างกายเหล่านี้ ซึ่งทําให้การวัดมีเสถียรภาพ ซ้ําซาก และไวต่อการเปลี่ยนแปลงของตําแหน่งน้อยลง การกําหนดค่าการส่งผ่านทําให้ดัชนีการแพร่กระจายเพิ่มขึ้น 40 dB ถึง 60 dB.

การกําหนดค่า PPG แบบสะท้อนแสงจะถูกเลือกเมื่อต้องวาง PD และ LED ไว้ติดกันเพื่อการใช้งานจริง เช่น กับอุปกรณ์ที่สวมข้อมือหรือหน้าอก.

การวางตําแหน่งเซนเซอร์และดัชนีการไหลเวียน

การวางตําแหน่งบนข้อมือและหน้าอกต้องการช่วงไดนามิกที่มากขึ้นใน PPG AFE เนื่องจากสัญญาณ DC เพิ่มขึ้นอย่างมากเนื่องจากความลึกของหลอดเลือดแดงใต้ส่วนประกอบสะท้อนแสงแบบคงที่ เช่น ผิวหนัง ไขมัน และกระดูก.

ความละเอียดที่มากขึ้นในการวัดค่า PPG จะช่วยลดความไม่แน่นอนใน SpO₂ อัลกอริทึม ด้วย PI ทั่วไป 1% ถึง 2% สําหรับ SpO ที่สวมใส่ที่ข้อมือ₂ เซ็นเซอร์เป้าหมายของการออกแบบเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดคือการเพิ่ม PI ผ่านการออกแบบทางกลหรือเพื่อเพิ่มช่วงไดนามิก.

ระยะห่างของ LED ถึง PD จะส่งผลอย่างมากต่อ PI ระยะห่างน้อยเกินไปจะเพิ่ม LED เป็น PD crosstalk หรือ backscatter สิ่งนี้จะปรากฏเป็นสัญญาณ DC และทําให้ AFE อิ่มตัว.

การเพิ่มระยะห่างนี้จะช่วยลดผลกระทบของทั้งการกระเจิงย้อนกลับและครอสทอล์ค แต่ยังช่วยลดอัตราส่วนหม้อแปลงกระแส (CTR) ซึ่งเป็นเอาต์พุต LED ต่อกระแสไฟกลับ PD สิ่งนี้จะส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบ PPG และต้องการพลังงาน LED ที่มากขึ้นเพื่อเพิ่มช่วงไดนามิกของ AFE ให้สูงสุด.

การกะพริบอย่างรวดเร็วของไฟ LED หนึ่งดวงหรือหลายดวงมีประโยชน์ในการลดสัญญาณรบกวน 1/f ต่อสัญญาณโดยรวม การกะพริบไฟ LED ยังทําให้สามารถใช้การมอดูเลตแบบซิงโครไนซ์ที่ด้านรับเพื่อยกเลิกสัญญาณรบกวนแสงโดยรอบ การรวมพัลส์หลายตัวจะเพิ่มแอมพลิจูดของสัญญาณ PD และลดการใช้กระแสไฟโดยเฉลี่ย การเพิ่มพื้นที่ PD ทั้งหมดยังเพิ่ม CTR เมื่อมีการจับแสงสะท้อนแสงมากขึ้น.

สําหรับการวัดอัตราการเต้นของหัวใจ PPG ผู้ผลิตอุปกรณ์ HR หลายรายได้นํา PD ขนาดใหญ่ตัวเดียวและไฟ LED สีเขียวที่ประหยัดพลังงานหลายดวงมาใช้ร่วมกันเพื่อใช้ในสถานที่ที่มีการไหลเวียนของเลือดจํากัด ไฟ LED สีเขียวถูกเลือกเนื่องจากมีการปฏิเสธสิ่งประดิษฐ์การเคลื่อนไหวสูง.² อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ต้องแลกกับพลังงาน ไฟ LED สีเขียวมีแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าสูงกว่าสีแดงและ IR และอัตราการดูดกลืนแสงสูงในเนื้อเยื่อของมนุษย์ ซึ่งหมายความว่าต้องใช้พลังงาน LED ที่สูงขึ้นเพื่อส่งคืนข้อมูลหัวใจที่มีความหมาย.

เป็น SpO₂ ต้องใช้ความยาวคลื่นหลายความยาวคลื่น และระบบส่วนใหญ่ยังคงรวมไฟ LED สีเขียวที่มีประสิทธิภาพสูงสําหรับ HR PPG ซึ่งเป็นการกําหนดค่าทั่วไปสําหรับ HR และ SpO₂ ระบบ PPG เป็นอาร์เรย์ LED สีเขียว สีแดง และ IR เดี่ยวที่ล้อมรอบด้วย PD หลายตัว ดังที่เห็นบนนาฬิกา ADI VSM ในรูปที่ 5 ระยะห่าง PD ถึง LED ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อลดการกระเจิงย้อนกลับ และการออกแบบแผ่นกั้นช่วยลด LED เป็นครอสทอล์ค PD.

นาฬิกา ADI VSM ต้นแบบหลายรุ่นได้รับการทดลองเพื่อตรวจสอบระยะห่างระหว่าง PD ถึง LED ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสําหรับ HR PPG และ SpO ของเรา₂ การวัด.

สิ่งประดิษฐ์การเคลื่อนไหว

สิ่งประดิษฐ์การเคลื่อนไหวเป็นหนึ่งในความท้าทายในการออกแบบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดสําหรับระบบการวัด PPG เมื่อมีการเคลื่อนไหวความกว้างของหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดําจะเปลี่ยนไปเนื่องจากความดัน ปริมาณแสงที่โฟโตไดโอดดูดซับจะเปลี่ยนไป และสิ่งนี้มีอยู่ในสัญญาณ PPG เนื่องจากโฟตอนถูกดูดซับหรือสะท้อนแตกต่างจากเมื่อร่างกายหยุดนิ่ง.

สําหรับพื้นที่โฟโตไดโอดที่กว้างไม่สิ้นสุดซึ่งครอบคลุมตัวอย่างเนื้อเยื่อลึกที่ยาวไม่สิ้นสุดในที่สุดโฟตอนทั้งหมดจะถูกสะท้อนไปยังโฟโตไดโอด ในกรณีนี้ จะตรวจไม่พบสิ่งประดิษฐ์อันเนื่องมาจากการเคลื่อนไหว อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่สามารถทําได้ วิธีแก้ปัญหาคือการเพิ่มพื้นที่โฟโตไดโอดโดยคํานึงถึงความจุ ซึ่งช่วยลด AFE และให้การกรองสิ่งประดิษฐ์จากการเคลื่อนไหว.

ความถี่ปกติสําหรับสัญญาณ PPG อยู่ระหว่าง 0.5 Hz ถึง 5 Hz ในขณะที่สิ่งประดิษฐ์การเคลื่อนไหวโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 0.01 Hz ถึง 10 Hz ไม่สามารถใช้เทคนิคการกรองแบนด์พาสอย่างง่ายเพื่อลบสิ่งประดิษฐ์การเคลื่อนไหวออกจากสัญญาณ PPG เพื่อให้ได้การยกเลิกการเคลื่อนไหวที่มีความแม่นยําสูง จําเป็นต้องมีตัวกรองแบบปรับได้พร้อมข้อมูลการเคลื่อนไหวที่มีความแม่นยําสูง เพื่อจุดประสงค์นี้ Analog Devices ได้พัฒนา แอดเอ็กซ์แอล362 3-มาตรความเร่งแกน มาตรความเร่งนี้ให้ 1 เมตรg ความละเอียดสูงสุด 8 g ช่วงในขณะที่ใช้พลังงานเพียง 3.6 μW ที่ 100 Hz และมีจําหน่ายในแพ็คเกจ 3 มม. × 3 มม..

โซลูชัน ADI: ADPD4100

การวางตําแหน่งของเครื่องวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในเลือดทําให้เกิดความท้าทายหลายประการ SpO ที่สวมใส่ข้อมือ₂ อุปกรณ์ให้ความท้าทายในการออกแบบเพิ่มเติม เนื่องจากสัญญาณ AC ที่น่าสนใจมีเพียง 1% ถึง 2% ของแสงที่ได้รับทั้งหมดบน PD เพื่อให้ได้รับการรับรองเกรดทางการแพทย์และแยกแยะระหว่างการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของระดับออกซีฮีโมโกลบินจําเป็นต้องมีช่วงไดนามิกที่สูงขึ้นบนสัญญาณ AC สิ่งนี้สามารถทําได้โดยการลดการรบกวนของแสงโดยรอบและลดไดรเวอร์ LED และสัญญาณรบกวน AFE ADI ได้แก้ไขปัญหานี้ด้วย เอดีพีดี4100.

ADPD4100 และ ADPD41001 บรรลุ SNR สูงถึง 100 dB ช่วงไดนามิกที่เพิ่มขึ้นนี้มีความสําคัญต่อการวัด SpO₂ ภายใต้สถานการณ์การไหลเวียนต่ํา AFE แบบออปติคัลในตัวนี้มีแหล่งกระแสสัญญาณรบกวนต่ําออนบอร์ดแปดแหล่งและอินพุต PD แยกกันแปดช่อง ตัวควบคุมเวลาแบบดิจิตอลมีช่องจับเวลาที่ตั้งโปรแกรมได้ 12 ช่อง ซึ่งช่วยให้ผู้ใช้สามารถกําหนดอาร์เรย์ของลําดับ PD และ LED ที่มีกระแสไฟ LED เฉพาะ การกรองแบบอะนาล็อกและดิจิตอล ตัวเลือกการรวม และข้อจํากัดด้านเวลา.

ประโยชน์หลักของ ADPD4100 คือการเพิ่มขึ้นของ SNR/μW ซึ่งเป็นพารามิเตอร์สําคัญสําหรับการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ตัวชี้วัดหลักนี้ได้รับการแก้ไขโดยการเพิ่มช่วงไดนามิกของ AFE ในขณะเดียวกันก็ลดการใช้กระแสไฟ AFE ด้วย ขณะนี้ ADPD4100 มีการใช้พลังงานรวมเพียง 30 μW สําหรับการวัด PPG ต่อเนื่อง 75 dB, 25 Hz รวมถึงแหล่งจ่ายไฟ LED การเพิ่มจํานวนพัลส์ต่อตัวอย่าง (n) จะส่งผลให้ (√n) การเพิ่มขึ้นของ SNR ในขณะที่การเพิ่มกระแสไฟของไดรฟ์ LED จะมี SNR เพิ่มขึ้นตามสัดส่วน การใช้ระบบทั้งหมด 1 μW จะส่งคืน 93 dB SNR สําหรับการวัด PPG อย่างต่อเนื่องโดยใช้แหล่งจ่ายไฟ LED 4 V.

การปฏิเสธแสงโดยรอบอัตโนมัติช่วยลดภาระของไมโครโปรเซสเซอร์โฮสต์ในขณะที่สามารถปฏิเสธแสงได้ 60 dB สิ่งนี้ทําได้โดยใช้พัลส์ LED ที่เร็วถึง 1 μs ร่วมกับตัวกรองแบนด์พาสเพื่อปฏิเสธการรบกวน ในโหมดการทํางานบางอย่าง ADPD4100 จะคํานวณกระแสไฟมืดของโฟโตไดโอดหรือสถานะปิด LED โดยอัตโนมัติ ผลลัพธ์นี้จะถูกลบออกจากสถานะเปิด LED ก่อนการแปลงใน ADC เพื่อขจัดแสงโดยรอบ รวมทั้งได้รับข้อผิดพลาดและการดริฟท์ภายในโฟโตไดโอด.

ADPD4100 ได้รับการสนับสนุนด้วยปุ่ม การประเมินมูลค่า-ADPD4100-4101 ชุดประเมินที่สวมใส่ได้พร้อมกับ นาฬิกาการศึกษาการตรวจสอบสัญญาณชีพ ADI. ฮาร์ดแวร์นี้เชื่อมต่อกับแอปพลิเคชัน ADI Wavetool ได้อย่างราบรื่นเพื่อเปิดใช้งานการวัดอิมพีแดนซ์ชีวภาพ ECG อัตราการของหัวใจ PPG และ PPG หลายความยาวคลื่นสําหรับ SpO₂ การพัฒนา.

ฝังอยู่ในนาฬิกาการศึกษาคืออัลกอริธึมการควบคุมอัตราขยายอัตโนมัติ (AGC) สําหรับ ADPD4100 ที่ปรับอัตราขยาย TIA และกระแสไฟ LED เพื่อส่งมอบช่วงไดนามิกของสัญญาณ AC ที่เหมาะสมที่สุดสําหรับความยาวคลื่น LED ทั้งหมดที่เลือก.

โซลูชั่น ADI ทางเลือก

SpO ที่ใช้นิ้วและติ่งหู₂ การอ่านค่าเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการออกแบบ เนื่องจากอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงกว่าการวางตําแหน่งตามข้อมือหรือหน้าอก เนื่องจากการลดลงของกระดูกและเนื้อเยื่อ ซึ่งช่วยลดการมีส่วนร่วมของส่วนประกอบ DC.

สําหรับการใช้งานดังกล่าว ADPD144RI โมดูลและ เอดีพีดี1080 เป็นอุปกรณ์ที่เหมาะสม.

ADPD144RI เป็นโมดูลที่สมบูรณ์พร้อมไฟ LED สีแดง 660 นาโนเมตรและ LED IR 880 นาโนเมตร และ PD สี่ตัวในแพ็คเกจ 2.8 มม. × 5 มม. ระยะห่างระหว่างไฟ LED และ PD ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ดีที่สุดสําหรับ SpO₂ การวัด PPG ที่มีความแม่นยําสูง โมดูลนี้ช่วยให้ผู้ใช้สามารถข้ามความท้าทายในการออกแบบที่เกี่ยวข้องกับการจัดวางและระยะห่างของ LED และ PD ได้อย่างรวดเร็วเพื่อให้ได้อัตราส่วนพลังงานต่อเสียงรบกวนที่เหมาะสมที่สุด ADPD144RI ได้รับการปรับกลไกให้เหมาะสมเพื่อลดครอสทอล์คแบบออปติคัลให้ได้มากที่สุด สิ่งนี้ให้โซลูชันที่มั่นคง แม้ว่าจะวางเซ็นเซอร์ไว้ใต้หน้าต่างกระจกบานเดียว.

ADPD1080 เป็น AFE แบบออปติคัลในตัวที่มีช่องสัญญาณไดรฟ์ LED สามช่องและช่องสัญญาณอินพุตกระแสไฟ PD สองช่องใน WLLCSP 17 ลูก 2.5 มม. × 1.4 มม. AFE นี้เหมาะอย่างยิ่งสําหรับการออกแบบที่กําหนดเองผลิตภัณฑ์ PPG จํานวนช่องสัญญาณต่ําซึ่งพื้นที่บอร์ดมีความสําคัญ.