Szívfrekvencia- és véroxigénszint-mérés hordozható és viselhető készülékekben

Napjaink személyi informatikai eszközeiben meglepően változatos szenzor-ökoszisztéma dolgozik a hőmérsékletméréstől a gyorsulás- és mágneses tér érzékelésén át a földrajzi helyzet meghatározásáig. Az új viselhető készülékekben azonban már biológiai paraméterek mérésére alkalmas alrendszerek is megtalálhatók.

Bevezetés

Az orvostechnikai és fitnesz-területek elektronikus méréstechnikájában forradalmi változások tanúi vagyunk. A jelenkor egészséggondozási készülékek iránti igényei sokfélék, gyorsan változnak és folyton megújuló kihívásokkal szembesítik a fejlesztőket. Azokat a módszereket, amelyeket nem is túl régen még csak a kórházi gyakorlatban használtak, ma az otthoni egészséggondozási és fitnesz-monitorozó készülékekben is megtaláljuk.
Egyebek közt a szívfrekvencia és véroxigénszint mérése is egyre gyakrabban fordul elő a fogyasztásicikk-kategóriába eső készülékekben. Ezeket a méréseket a pulzusoximetria elvén alapuló megoldásokkal végzik az otthoni egészséggondozási készülékekben éppúgy, mint a csuklón viselhető fitnesz- és aktivitásmérő készülékekben.
Ez a cikk összefoglalja a pulzusoximetria alapjait abban a mértékben, amely már elegendő az orvostechnikai és fitnesz-alkalmazások fejlesztéséhez. Megvizsgáljuk egy megvalósított pulzus-oximéter áramköri tervét, amelyen keresztül bemutatjuk azt is, hogyan lehet ezt a szívfrekvencia és a véroxigénszint mérésére felhasználni.

Mi az az oximetria?

Az oximetria a vér oxigéntelítettségének (szaturációjának) mérése, amelynek eredményét rendszerint százalékban fejezik ki. A pulzus-oximéter egy nem invazív (testbe vagy testüregbe be nem hatoló szenzorral múködő) mérőkészülék, amely egy személy vérének oxigénszaturációján kívül a szívfrekvencia mérésére is alkalmas. A pulzusoximéterek a – rendszerint a páciens ujjbegyére rögzített – csipeszforma érzékelőjükről könnyen felismerhetők.

Mi a véroxigén-szaturáció?

A véroxigén-szaturáció a hemoglobin vizsgálatával történik, amely a vörös vértestekben található, oxigén megkötésére alkalmas festékanyag. Ez adja a vér vörös színét, és funkciója az oxigén szállítása a test szöveteihez. A hemoglobin két formában létezik: az első az oxidált hemoglobin, amelyet HbO₂-vel szokás jelölni (oxi-hemoglobin). Ez a hemoglobinnak az oxigénnel „feltöltött” állapota. A másik a redukált oxigéntartalmú hemoglobin (Hb – deoxi-hemoglobin), amely az oxigénhiányos állapotot jelenti.
E fogalmak ismeretében a vér oxigéntelítettségét (SpO₂) az oxi-hemoglobinnak a teljes hemoglobin-készletre (Hb + HbO₂) vonatkoztatott arányával fejezzük ki. A véroxigén-szaturációt százalékban szokás megadni. Normál értéknek a 97% vagy magasabb tekinthető.

Hogyan méri a pulzusoximéter a vér oxigénszaturációját (SpO₂)?

A hemoglobin érdekes tulajdonságainak egyike az, hogyan nyeli el, illetve veri vissza a ráeső fényt. Például a Hb több vörös fényt nyel el (értelemszerűen kevesebb vöröset ver vissza), mint a HbO₂.A HbO₂ viszont több infravörös fényt nyel el – és kevesebbet reflektál – a Hb-nál. Mivel a véroxigén-szaturációt a Hb és a HbO₂ értékéből számítják ki, az egyik kézenfekvő vizsgálati módszer az, hogy a megvilágítunk egy testrészt (egy ujjat vagy a csukló bőrét például) egy vörös és egy infravörös leddel, majd összehasonlítjuk a relatív intenzitásokat. Két általános módszert szokás erre a célra használni:
A vizsgáló fényforrással az adott testrészt átvilágítva mérjük a vizsgált testszöveten áthaladt fény intenzitását (ezt „áthatoló” – transzmisszív – oximetriának nevezzük). Ezenkívül mérhető a bőrfelületről visszavert fénnyel is végezhető oximetria-mérés (a két módszer összehasonlítását az 1. ábra mutatja).

1. ábra Két oximetriai módszer

A transzmisszív oximetria alkalmazására a kórházakban láthatunk példát. A legtöbb páciens-állapotmonitorozó készülék tartalmaz integrált transzmisszív oximétert. Másrészt sok újabb, felső kategóriás fitneszkészülékben a reflektív oximetriai módszer terjedt el.

Hogyan méri a pulzusoximéter a szívfrekvenciát?

A szív működése közben nagy mennyiségű vért szivattyúz át a test szövetein. Minden egyes szívveréskor a vér belepréselődik a hajszálerek (kapillárisok) rendszerébe, amelyek térfogata ilyenkor kismértékben megnövekszik. Két szívverés között a térfogat csökken. Ez megváltoztatja a testszöveten áthaladó fény mennyiségét – és ez a fény akár egy oximéter vörös és infravörös ledjének fénye is lehet. Bár ez a fényintenzitás-fluktuáció nagyon kicsi, egy pulzus-oximéterrel mégis mérhető a véroxigén-szaturáció mérésénél használt elrendezésben.

A működési elv részletesen

A tipikus pulzusoximéterek a vér oxigéntelítettségét az emberi testben egy olyan mérési módszerrel felügyelik, amely az oxidált hemoglobin (HbO₂) és a redukált hemoglobin (Hb) fényelnyelési tulajdonságainak különbségét állapítja meg egy vörös (hullámhossz: 600…750 nm) és egy infravörös (hullámhossz: 850…1000 nm) fényforrással átvilágítva a vért tartalmazó testszövetet. Az ilyen típusú pulzusoximéter a vörös és az infravörös fény felvillanásait küldi felváltva a testrészbe (például a páciens ujjbegyébe), és az el nem nyelődött fény mennyiségét egy fotodiódás érzékelő méri.
A fotodióda érzékeli mindkét led fényének azt a hányadát, ami nem nyelődött el a testszöveten való áthaladásakor. Ezt a jelet aztán egy invertáló alapkapcsolású műveleti erősítővel invertálják. Az eredményül kapott jel az ujjbegyben elnyelődő fénymennyiségre jellemző – mint az a 2. ábrán is látható. A vörös és infravörös jelek impulzusamplitúdóinak (Vpp) mérése és effektív értékké való átalakítása után az arány meghatározása az alábbi számítással történik:

Az SpO₂ értékét úgy határozhatjuk meg, hogy megkeressük, hogy egy tapasztalati alapon készített táblázatban (look up table) a számított arány értékéhez milyen SpO₂-érték tartozik. A pulzusfrekvencia számításához a mérőegység AD-konvertere mintasorozatának burkológörbéje használható, amelyhez a periódusidő-adatot az AD-konverter mintavételi frekvenciája és a mintaszám alapján lehet kiszámítani.

2. ábra Valós idejű vörös és infravörös pulzusjelek oszcilloszkópos ábrázolása

A look-up-table (LUT) a pulzusoximéter fontos része. A LUT tartalma specifikusan egy adott pulzusoximéter-konstrukcióhoz tartozik, és rendszerint olyan kalibrációs görbékből származtatják, amelyeket egyebek közt nagyszámú, különféle SpO₂-szinteken végzett mérés eredményéből állítanak elő. A 3. ábra egy ilyen kalibrációs görbét mutat.

3. ábra Egy minta kalibrációs görbe

Egy konkrét mérőáramkör

A következő példa egy transzmisszív pulzusoximéter áramkör különféle részegységeit mutatja be részletesen. Ez az áramkör (4. ábra) bemutatja mind a pulzusfrekvencia, mind pedig a véroxigén-szaturációs szint mérését.

4. ábra Transzmisszív pulzusoximéter rendszer tömbvázlata

Mérőszonda

A jelen példában használt SpO₂-szonda egy készen kapható ujjcsipesz, amely egy vörös és egy infravörös (IR) ledet, valamint egy fotodiódát tartalmaz. A ledek áramát a ledmeghajtó állítja elő.
A vörös és az IR-fény áthalad a páciens ujján, amit a fotodióda érzékel. Ennek kimeneti jelét a jelkondicionáló áramkör alakítja át feldolgozható formába. Ezt az analóg előfeldolgozáson átesett jelet a digitális jelvezérlő (Digital Signal Controller – DSC) 12 bites AD-konverterének bemenetére kerül. A mért értékekből a DSC számítja ki az SpO₂-értéket.

Ledmeghajtó áramkör

Egy kettős, egyáramkörös váltókapcsoló (Single Pole Double Throw - SPDT) kialakítású elektronikus kapcsoló, amelyet két, a DSC-ből származó PWM-jel hajt meg, felváltva kapcsolja be és ki a vörös és az IR-ledeket. Annak érdekében, hogy megfelelő számú ADC-minta álljon rendelkezésre, és legyen elég idő az adatok feldolgozására, mielőtt a led újra bekapcsol, a ledeket az 5. ábrán látható idődiagram szerint kell vezérelni. A led áramerősségét vezérlő analóg jelet egy 12 bites DA-konverter állítja elő, amelynek bemeneti digitális adatait a DCS számítja ki.

5. ábra Idődiagram

Analóg jelkondicionáló áramkör

A jelkondícionáló áramkör két fokozatból áll. Az első fokozat egy transzimpedancia-erősítő (áramvezérelt, feszültséggenerátoros kimenetű erősítő), a második pedig feszültségerősítő. A két fokozat között felüláteresztő szűrő foglal helyet.
A transzimpedancia-erősítő a fotodióda által előállított, néhány mikroamperes áramot néhány millivoltos feszültséggé alakítja át. A kimeneti jel egy felüláteresztő szűrőre kerül, aminek az a célja, hogy a háttérfény zavaró hatását csökkentse.
A felüláteresztő szűrő kimenete ezután a második erősítőfokozat bemenetére jut, amelynek 22-szeres erősítése van, és a bemenetén egy 220 mV-os egyenfeszültség-ofszetet is fogad. Az erősítő erősítését és a DC-ofszet mértékét úgy állították be, hogy az jól illeszkedjen az AD-átalakító bemeneti jeltartományához.

Digitális szűrő tervezés

Az analóg jelkondicionáló áramkör kimenete a DSC integrált, 12 bites AD-konvertermoduljának bemenetére csatlakozik. A példában Microchip-gyártmányú dsPIC DSC-t használtunk. A dsPIC33FJ128GP802 az integrált DSP-képességein túl azért is különösen alkalmas a feladat megoldására, mert használható hozzá a Microchip digitálisszűrő-tervező szoftvereszköze (Digital Filter Design Tool).
Az AD-konverter mintavételezési tervének lényege, hogy egy mintavétel történik minden egyes periódusban, amikor valamelyik led be van kapcsolva, és egy további mintavétel pedig akkor, amikor mindkét led ki van kapcsolva. Azok miatt a nehézségek miatt, amelyek az élő szervezet szövetein átbocsátott fényen alapuló méréseket kísérik, a szűrőtervező szoftvereszközt egy 513-ad rendű, digitális, véges impulzusválaszú (Finite Impulse Response – FIR) sáváteresztő szűrőt terveztünk az AD-konverter adatainak frekvenciatartomány-beli feldolgozására. Ezt a szűrt adatot használjuk fel a továbbiakban az impulzusamplitúdó kiszámítására, amint azt a 6. ábra is szemlélteti.

6. ábra A bemeneti és a szűrt adatsor

Az általunk használt digitális sáv-áteresztő FIR-szűrő specifikációi a következők:

• Mintavételi frekvencia: 500 Hz

• Sávközépi frekvencia: 1 és 5 Hz

• Zárósáv frekvenciái: 0,005 és 25 Hz

• FIR-ablak: Kaiser

• Áteresztősávi hullámosság: 0,1 dB

• Zárósávi hullámosság: 50 dB

• Szűrő fokszáma: 513

A 6. ábrán a Graph 1 (piros vonal) a FIR-szűrő bemeneti jelének digitalizált értéke. A Graph 2 (zöld vonal) a FIR-szűrő kimeneti jelének mintasorozata, az X-tengelyen az AD-konverter mintáinak sorszáma, az Y-tengelyen pedig az AD-konverter által mért értékek láthatók.

Összefoglalás

Az otthoni egészséggondozási és fitneszpiac gyors ütemben növekszik. A szívfrekvencia és a véroxigénszint mérése várhatóan a közeljövő éveiben növekszik nagyobb mértékben. Az olyan pulzus-oximéter referenciatervek, mint amilyet a jelen cikkben is leírtunk, nagy segítséget adhatnak az orvostechnikai és fitneszkészülékek fejlesztőinek a tervezett készülékeik gyártásba vitele és piacra juttatása felé vezető irány kijelölésében.

Megjegyzés: a dsPIC a Mirochip Technology Incorporated bejegyzett védjegye az USA-ban és más országokban. A cikkben említett többi védjegy a megfelelő cégek tulajdona.

Irodalom

Pulzusoximéter tervezés

• Principles of Pulse Oximetry Technology (2002). Retrieved April 23, 2014: www.oximetry.org/pulseox/principles.htm

• Microchip Technology Inc., Online Medical Design Center: www.microchip.com/pagehandler/en-us/products/medical/pulseoximeter.html

• www.microchip.com/design-centers/medical/applications/pulse-oximeter

• Webster, J. G. (1997). Design of Pulse Oximeters. Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing.

Pulzus-oximeter szimuláció

• Fluke Biomedical. (2007). Index 2XL SpO₂ Simulator User Manual.

Zhang Feng, Marten Smith – Microchip Technology, Inc., Medical Products Group

(fordítás és közlés a Microchip Technology, Inc. hozzájárulásával)

www.microchip.com

Még több Microchip