PPG vagy EKG pulzusmérők

Melyiket érdemes választani a következő tervezésnél?

A pulzus mérése egy ideje már nem csupán klinikai környezetben lehetséges. Köszönhetően az olyan széles körben elérhető, viselhető technológiának, mint például az okosórák, manapság a fogyasztók képesek speciális orvosi felszerelés nélkül is pontosan mérni és nyomon követni a pulzusszámukat.

Alapbetegségben szenvedők számára a pulzus folyamatos megfigyelése értékes információkat nyújthat, lehetővé téve, hogy a felhasználók nyomon kövessék állapotuk időbeli alakulását, esetenként segítve akár a gyógyszerek adagolásának megfelelő időzítését. Fitneszcélú alkalmazások esetében (legyen szó akár professzionális sportolókról, akár az egészségükért és edzettségi állapotuk kedvéért mozgókról) a pulzusmérők valós idejű visszajelzést biztosíthatnak, nyomon követhetik a fejlődés alakulását, segíthetnek a sérülésekből történő felépülésben, és lehetővé teszik a megadott pulzustartományokban történő edzéseket.
A felhasználási lehetőségek széles köre és az értékes adatok gyűjtése csupán néhány példát jelentenek az aktivitásmérők technológiai növekedésének kulcstényezői közül. De mi is az a technológia, ami ezen eszközök működésének hátterében áll? És milyen hatással vannak a pulzusmérők egyedi tervezési szempontjai az olyan hordható eszközök fejlesztésére, mint az okosórák vagy az aktivitásmérők?

Szívritmus-érzékelési módszerek: EKG vs. PPG

Bár szívünk jelentőségét nem volna szükséges különösebben kihangsúlyozni – ezen szervünk működésének összetett mivoltát, és a tényt, hogy milyen szintű betekintést képes nyújtani egészségünkbe és érzelmi állapotunkba –, de rendszeresen alábecsüljük.
A szív elsősorban a vér testünkben történő mozgatásáért felel. Éppen ezért a pulzusunk mérése segítséget nyújt a pillanatnyi fizikai terhelés kimutatásában és a hirtelen fellépő egészségügyi problémák feltárásában. A folyamatos és pontos mérés segítségével azonban átfogóbb képet is kaphatunk egy személy egészségéről, lehetővé téve az olyan létfontosságú adatok megértését, mint például a szívfrekvencia-variabilitás (heart rate variability – HRV). A HRV azokat az időszakokat jelenti, amikor a szívünk ritmusa a normálistól eltérő mértékben ingadozik, és rálátást enged a vegetatív idegrendszerünk egészségi állapotára. A HRV-megfigyelésből származó adatok hasznos segítséget nyújtanak az egyének érzelmi állapotának felmérésében, illetve bizonyos krónikus betegségek feltárásában.
Ahhoz, hogy a pulzusmérés hatékony legyen és széles körű betekintést nyújthasson egy egyén egészségi állapotába, nem elég, ha csupán bizonyos körülmények között ad azonnali és pontos eredményt, hanem folyamatosan, változatos helyzetekben képesnek kell lennie erre. A fogyasztói egészségügyi megfigyelésben két különböző szívritmus-érzékelési eljárás használatos. Az egyik az optikai érzékelésen alapuló, az úgynevezett fotopletizmogram (PPG), a másik a klinikai környezetben is alkalmazott, hagyományos elektrokardiogram (EKG) -eljárás, ami közvetlenül a szív elektromos aktivitását méri (1. ábra). Ahhoz, hogy ezeket a technológiákat sikeresen integrálni lehessen az okosórákba és az aktivitásmérőkbe, elengedhetetlen, hogy tisztában legyünk az előnyeikkel és hátrányaikkal.

1. ábra Az EKG-görbe segítségével meghatározható a HRV, mivel a csúcsintervallumok nagyobb pontossággal követhetők, mint a PPG esetében, ami inkább csak átlagolt pulzusmérésre alkalmas (Forrás: https://doi.org/10.3390/ijerph17144975 [Átszerkesztve a Mouser Electronics által.])

A PPG-eljárás előnyei és korlátai

A PPG-technológia egy kis méretű LED-fényforrást használ és egy fotodetektor segítségével méri a szív tevékenységét, a véráram változásainak érzékelésén keresztül. Ahogy az erek kitágulnak és összehúzódnak, eltérő módon verik vissza a fényt. A visszaverődő fény változásai alapján nem csupán a pulzus, de a véráram mennyiségének változása is kikalkulálható. A PPG-érzékelők fő előnye hihetetlen rugalmasságuk, aminek köszönhetően a test számos részére telepíthetők, akár a homlokra, a csuklóra, a törzsre, az ujjbegyekre, fülre vagy bokára is.
A technológia korlátai a PPG-érzékelők mérésének optikai jellegéből erednek, aminek esetében számos tényező lehet hatással a mérések pontosságára. Amennyiben az eszköz távolabb kerül a bőr felszínétől, megfelelő kompenzáció hiányában a fényérzékelőt megzavarhatja a beszivárgó környezeti fény, és eltorzíthatja a mérés eredményét. A rendszer pontosságát a környező erek mennyisége és helyzete is befolyásolhatja. Mindezeken túl, a legtöbb PPG-érzékelő egy beállítási vagy kalibrációs időtartamot igényel, amikor az érzékelő felméri a környezeti körülményeket és kiszámítja a szükséges kompenzációt. Ebből eredően a mérés nem azonnali, bár a nagyfrekvenciás eszközök jelentősen csökkenthetik a beállítási időtartamot. Végül, mivel a mérések a LED-fényforrás folyamatos működését igénylik, a PPG-érzékelők áramfogyasztása egyenesen arányos a mérések gyakoriságával és hosszával. Ez bizonyos, kis áramforrással ellátott alkalmazások esetében korlátozhatja a mérések pontosságát és folyamatosságát.

A EKG-eljárás előnyei és korlátai

Az EKG-érzékelők közvetlenül az egyén bőrére erősített elektródákkal határozzák meg a szív ritmusát, a szív által generált bioelektromos potenciál változásainak mérésével. A szív elektromos tevékenységének közvetlen mérése által az EKG-érzékelők nem, vagy csak minimális mértékben igényelnek beállítást, így ideálisan használhatók vészhelyzetekben. Mivel képesek a szívimpulzusok csúcsértékeinek pontos követésére, megbízhatóan alkalmazhatók a HRV mérésére. Az EKG-érzékelőkre nem hat zavaróan a környezeti fény, az egyetlen szigorú technikai elvárás, hogy a szenzor közvetlenül és szorosan érintkezzen a bőrrel. Maguk az érzékelők nagyon kis méretűek, és – mivel egyszerű elektródákról van szó – nagyon kevés energiát igényelnek a működésükhöz.
Az EKG-rendszerek fő korlátját a bioelektromos aktivitás méréséhez szükséges folyamatos és szoros bőrérintkezés jelenti, ami csupán a test néhány területén lehetséges (mellkas, hónalj, felső lábszár és az ujjbegyek). Mivel ezek az érzékelőterületek meglehetősen kényelmetlenek, a folyamatos EKG-alapú megfigyelés lehetősége klinikai környezeten kívül erősen korlátozott. Emellett a lehetséges érintkezési pontok nem minden esetben praktikusak fizikai aktivitás közben, mivel a mozgás leválaszthatja az elektródákat a bőr felszínéről.

Tervezési szempontok szívfrekvencia-mérési alkalmazásokhoz

Számos tényezőt kell teljes mélységében átlátni az EKG és PPG megoldások közötti választáskor, hogy megtaláljuk a megfelelő megoldást. Klinikai alkalmazások esetén, ahol azonnali és nagy pontosságú mérésre van szükség, az EKG a logikus választás, azonban az aktivitásmérők és egyéb hordható eszközök esetében a kiválasztás sokrétűbb folyamat.
Számos alkalmazás esetén a legfőbb tervezési szempont a felhasználóval történő interaktivitás lehet. A legtöbb aktivitáskövető és az olyan hordható eszközök esetén, mint az okosórák, a viselés ideális helye a csukló, mivel biztonságos, könnyen hozzáférhető, ráadásul az élmény (a hagyományos órák, és karkötők viseléséből adódóan) a felhasználók számára sem újszerű. Ezekben az alkalmazásokban a PPG-érzékelők magukba az órákba, vagy azok szíjába építhetők be, direkt fizikai kapcsolatot biztosítva a vezérlőelektronikával, és lehetővé téve a felhasználó számára az eszköz könnyű és kényelmes leolvasását.
Az egyes termékek értékesítési szempontjainak hangsúlya is segíthet meghatározni, hogy melyik technológiát érdemes alkalmazni az adott esetben. Amennyiben az eszköz egy kiegészítő aktivitás- és pulzuskövető érzékelő, ami külső eszközként csatlakoztatható okostelefonhoz vagy okosórához, és a működés a nagy pontosságú mérésekre vagy a HRV-megfigyelésre fókuszál, az EKG-technológia kerülhet előtérbe. Azonban az EKG-alapú folyamatos pulzusszámmérők komoly kihívással néznek szembe a viselet kényelme szempontjából. A fitneszcélú alkalmazások esetén a kialakítás jellemzően rugalmas szalagok formájában valósul meg, amik az eszköz viselőjének hasa köré illeszkednek, míg a tisztán egészségügyi megfigyelésre szolgáló eszközök ragasztós párnákat használnak, biztosítva a bőrfelületre történő szoros illeszkedés fenntartását. Ezek a megoldások, amik vezeték nélkül csatlakoznak okostelefonokhoz és okosórákhoz, a vezérlőegységekkel való kapcsolat fenntarthatóságának szempontjait is felvetik a tervezés során.
A legújabb, nagy teljesítményű aktivitásmérők és viselhető egészségmegfigyelő eszközök esetében a gyártók (például az Apple, a Samsung vagy a Fitbit) a PPG és EKG technológiák közötti választás helyett mindkét típusú érzékelőt beépítik termékeikbe. A PPG-érzékelőt folyamatos mintavételezésre használva biztosítható az eszközt viselő pulzusszámának nagyobb áttekinthetősége és a fizikai aktivitások nyomon követése, míg az EKG-érzékelő (ami jellemzően a kijelző keretébe kerül beépítésre) időszakos, szúrópróbaszerű ellenőrzést tesz lehetővé a HRV pontos megállapítása érdekében. Az olyan felhasználók számára, akik potenciálisan kitettek paroxizmális pitvarfibrillációnak (paroxysmal atrial fibrillation – PAF) – ez egy olyan állapot, amelyben az egyénnek szabálytalan, gyakran rendellenesen gyors szívverése van – a nagypontosságú EKG-mérések értékes betekintést nyújthatnak állapotukba. Amikor az illető a PAF tüneteit érzékeli, azonnali EKG-alapú mérést végezhet magán. Az így rögzített adatok az egészségügyi szakemberek segítségére lehetnek a diagnosztikában, és a személy számára is lehetővé teszik a helyzet vizuális ellenőrzését.

Az optikai PPG-szívritmusmérés megvalósítása

Az optikai PPG-szívritmusmérés kiemelt szerepet játszik számos aktivitásmérőben és egyéb viselhető eszközökben. Mivel ez a megoldás pontos méréseket képes biztosítani a test kényelmesen elérhető pontjairól, gyakran kézenfekvő választást jelent a tervezők számára. Függetlenül az alkalmazás módjától vagy attól, hogy a PPG-érzékelőt önmagában vagy egy EKG-érzékelővel együtt építik-e be egy eszközbe, egy olyan gyorsan változó környezetben, mint az aktivitásmérők és okosórák piaca, a nagy pontosságú érzékelőmegoldások gyors kifejlesztése kulcsfontosságú a projekt sikere szempontjából.

Analog Devices ADPD188GG

Az Analog Devices ADPD188GG optikai modulja komplett fotometrikus megoldást kínál, amely képes akár saját szinkronizált LED-fényforrásának visszavert impulzusaiból, akár a környezeti fényforrásokból származó optikai jelek mérésére. A nagy hatékonyságú modul két LED-et és fényérzékelő diódát tartalmaz egy olyan elegáns, egyedi borításban, ami megakadályozza, hogy az érzékelő a LED fényét azelőtt érzékelje, mielőtt az behatolna a mérendő területbe. Szinkronizált mérés során a kategóriájában a környezeti fény interferenciájának legjobb elutasítását kínálja. Ezen tulajdonsága tökéletes választássá teszi az aktivitásmérő eszközök számára, ahol az erőteljes mozgás könnyen kiteheti az eszköz érzékelési területét a környezeti fénynek.
Az ADPD188 érzékelő teszteléséhez, a gyors fejlesztési folyamat támogatására az EVAL-ADPD188GGZ kiértékelő tábla (2. ábra) és a hozzá tartozó WaveTool alkalmazás könnyen használható környezetet alkotnak. A WaveTool alkalmazás egyszerű felhasználói felülete segíti a fejlesztési folyamat gyors lefolyását, mindamellett lehetővé teszi a részletes konfigurálást, a valós idejű frekvencia- és időtartománybeli elemzést, valamint felhasználói datagram protokol (user datagram protocol – UDP) átviteli képességet is biztosít. Minden kiértékelő tábla tar­talmaz egy ADPD188GG optikai modult, egy AD8233 EKG-erősítőt és egy ADXL362 gyorsulásmérőt, a lap formai kialakítása pedig a csuklóalapú PPG-mérésekhez optimalizált.

2. ábra Analog Devices EVAL-ADPD188GGZ PPG kiértékelő tábla (Forrás: Analog Devices)

Analog Devices / Maxim Integrated MAX30102

Az Analog Devices / Maxim Integrated MAX30102 (3. ábra) egy kombinált pulzoximéter és optikai pulzusmérő. Ez a kompakt, felületre szerelhető eszköz (surface mount device – SMD) tartalmaz egy LED-meghajtót, egy LED-diódát és egy hihetetlenül kicsi, mindössze 5,6 mm × 3,3 mm × 1,55 mm méretű, 14 lábú optikai modult. Az akkumulátoros alkalmazások üzemidejének maximalizálása érdekében az eszköz működési teljesítménye kisebb, mint 1 mW, míg készenléti állapotban rendkívül csekély, mindössze 0,7 µA áramot vesz fel. Mintavételi sebessége és programozható LED-je további előnyt jelent az intelligens alkalmazáson alapuló energiatakarékosságban. Alacsony zajszint, gyors mintavételezés, magas jel/zaj arány és kiváló környezetifény-elutasítás jellemzi, így a modul alkalmas táblagépek, okostelefonok és hordható fitneszeszközök széles skálájában történő felhasználásra.

3. ábra Analog Devices / Maxim Integrated MAX30102 optikai érzékelő (Forrás: Mouser Electronics)

A projektfejlesztési feladatok minél egyszerűbbé tételének érdekében az Analog Devices MAXREFDES117 referenciaterve (4. ábra) lehetővé teszi a MAX30102 kombinált pulzoximéter és optikai érzékelő mind Arduino, mind Mbed platformokon történő kiértékelését. A referenciakártya csatlakoztatását követően a mérnökök gyorsan megkezdhetik a kiértékelési folyamatot a mintafirmware-ben található egyszerű, nyílt forráskódú szívritmus- és SpO2-algoritmus segítségével.

4. ábra Az Analog Devices MAXREFDES117 referenciaterve az Analog Devices / Maxim Integrated MAX30102 optikai érzékelőhöz (Forrás: Mouser Electronics)

A viselhető technológiák ergonómiája

Annak eldöntése, hogy hol mérjük egy személy pulzusát, számos tényező függvénye. Ilyenek például a fizikai aktivitás, a mérés pontosságával kapcsolatos elvárások, a kezelőfelülethez történő könnyű hozzáférés igénye és az eszköz viselésének kényelmes mivolta. Mindezek mellett a legtöbb pulzusmérőt tartalmazó projekt kiválasztott viselési helye az eszköz viselőjének csuklója. Mivel a karórák és a csuklón viselhető ékszerek már jóval a pulzusmérők megjelenése előtt is léteztek, az ilyen eszközök viselői számára a csukló megszokott és a legkényelmesebb hordozási helyet jelenti. Ha teljesítmény szempontjából vizsgáljuk, a csuklón viselt eszközök páratlanul kényelmes hozzáférést biztosítanak a vezérlőelemekhez, lehetővé teszik a PPG- és EKG-érzékelők elegáns beépítését, miközben egyaránt helyet adnak a megszokott időmérési funkcióknak és a különböző tevékenységek nagy pontosságú mérésének.
Ezen okokból kifolyólag a legtöbb aktivitásmérő és viselhető eszköz a csuklón hordható. A legtöbb nem kontaktsportot űző sportoló (biciklis, futó, evezős) is előszeretettel választja az okosórákat vagy egyéb, csuklón viselhető fitneszkarkötőket. Az eszköz viselésének helyétől függetlenül a pulzusmérés visszavonhatatlanul részét képezi életünknek, és a technológia további érésével elterjedésük tovább növekszik a sportolók és egyéb fogyasztók körében, könnyen áttekinthető, számszerűsíthető betekintést engedve egészségi állapotukba, és lehetővé téve számukra az egészséges életmóddal és edzéseikkel kapcsolatos megalapozott döntések meghozatalát.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket az X-en:
https://twitter.com/MouserElecEU