Tento článek představí cestu k takovému řešení založenému na vysoce integrovaném modulu od Maxim Integrated. Začneme krátkým popisem problematiky přesného monitorování srdečního rytmu. Poté si ukážeme, jak můžeme pomocí modulu provádět monitorování srdeční frekvence s certifikací FDA během nějaké aktivity a měření elektrokardiogramu (EKG) v klidovém režimu.
Měření srdečního výkonu
Většina diagnostických zařízení se běžně spoléhají na ECG (také nazývané EKG), aby poskytli co nejpodrobnější údaje o srdci. Zařízení EKG zachycuje vlnové průběhy generované srdečním svalem během srdečního cyklu (obrázek 1). Samotné měření vyžaduje umístění 10 elektrod na strategických místech po celém těle. Ty jsou pak kombinovány do 12 párů tak, aby odpovídaly různým osám jednotlivých křivek generovaných podle průchodu přes srdeční tkáň.
Obrázek 1: I když elektrokardiogram (ECG nebo EKG) poskytuje více detailů, jednodušší fotopletysmogram (PPG) může poskytnout užitečné informace, jako jsou zde ukázané předčasné komorové kontrakce (PVC). (Zdroj obrázku: Wikipedia)
Například elektroda umístěná na noze pacienta může být spárována s jinou elektrodou, aby byla schopna zachytit detaily tvaru vlny depolarizace komory sestupné dolů přes srdeční tkáň. 12-párové EKG přístroje lékařské kvality používají tuto metodu měření, která kombinuje data z různých párů elektrod pro měření tvaru vlny podél optimální osy spojené s každou fází srdečního cyklu.
Naproti tomu měření EKG prováděná spotřebitelskými fitness zařízeními typicky používají pouze jeden pár elektrod, což vede k pojmu jedno-párové EKG pro tuto třídu zařízení. I když EKG s jednou elektrodou nemůže dosáhnout profesionálního měření kardiologem, dokáže poskytnout dostatek informací o srdeční aktivitě, aby upozornili na možné patologie.
V praxi může být použití jedno-párových zařízení pro měření EKG ve fitness přístroji obzvláště problematické, protože jednotlivá měření mohou být snadno zkreslena jakýmkoliv výrazným pohybem jednotlivce.
Jakýkoliv svalový pohyb vede k odpovídajícím elektrickým charakteristikám z depolarizace svalových vláken, které procházejí vodivou hmotou tkáně. Pohyb svalů může generovat biopotenciály, které mohou snadno zarušit signály vycházející z hluboce zapuštěného zdroje signálu, jako je srdeční sval. Proto pro přesné měření EKG se vyžaduje, aby subjekt zůstal nehybný, ať už leží ve zdravotnickém zařízení nebo během tréninku.
Měření pomocí jedno-kanálového EKG na osobě během cvičení vedou s největší pravděpodobností k chybě. Z tohoto důvodu se osobní fitness přístroje, které poskytují údaje o tepové frekvenci během cvičení, obvykle spoléhají na metody fotopletysmografie (PPG).
Nejzákladnější forma PPG používá optické senzory k měření relativního rozdílu v odrazivosti (nebo absorpci) světla, protože každý puls krve mění objem krevních cév. Tohoto principu využívali první zařízení pro měření tepu. Dnes fitness produkty používají pokročilejší formu PPG, která měří úroveň periferního kyslíkového nasycení (SpO2). To poskytuje uživatelům hlubší analýzu jejich fyziologické reakce na cvičení.
Měření SpO2 využívá různých absorpčních spekter, která jsou vystavena okysličené versus neokysličené krvi, když je osvětlena červenou a infračervenou LED diodou s emisním spektrem soustředěným na dva příslušné stavy hemoglobinu (viz „Adding Heart-Rate Monitoring Functionality to Fitness Gear“). Ačkoliv se SpO2 zaměřuje na poměr mezi oběma stavy, může být základní měření srdeční frekvence odvozena ze stejných dat měření. Spotřební pulzní oxymetry používají tuto metodu k zajištění spolehlivějšího měření tepové frekvence i přes fyzický pohyb, individuální změny uživatele nebo jiné rušivé faktory.
Ačkoliv optické metody založené na PPG jsou již několik let používány ve fitness zařízeních. Jedno-kanálové EKG se objevilo v poslední době ve spotřebitelských výrobcích, jako jsou Apple Watch a další. Výrobci náramků pro fitness, smartwatches a další osobní elektronická zařízení, jsou poháněny konkurenčním tlakem a nutí implementaci jak PPG, tak i jedno-kanálových EKG do svých produktů.
Pro vývojáře však implementace pouze jedné z těchto možností představovala několik obtíží. Konstrukce Dual-LED PPG vyžadují schopnost optimálně řídit červenou a infračervenou LED diodu, zachytit odražené nebo absorbované světlo, synchronizovat výsledky a nakonec vypočítat srdeční frekvenci a také SpO2. Jedno-kanálový EKG vyžaduje rozsáhlé znalosti v oblasti analogových signálových cest schopných zvládnout zarušené signály spojené s jakýmkoliv měřením aktivních biopotenciálních jevů. Pro řešení těchto problémů poskytuje Maxim Integrated biosenzorový modul MAX86150, které umožňuje měřit jak PPG, tak EKG.
Biosenzorový modul
Modul MAX86150 je navržený speciálně pro mobilní systémy. Obsahuje všechny potřebné funkce pro duální LED diody PPG a pro EKG v jediném pouzdře o rozměrech 3,3 x 6,6 x 1,3 mm. Pro optické měření má integrovány kompletní optické vstupy a výstupy s červenou LED, IR LED a fotodiodou umístěnou za skleněným víčkem zabudovaným přímo v pouzdře (obrázek 2).
Obrázek 2: MAX86150 PPG poskytuje potřebné funkce pro optické měření. Má integrované všechny požadované komponenty včetně signálních cest pro výstup LED diody a vstup fotodiody. Také červená LED, infračervená LED a fotodioda jsou umístěny za skleněným víčkem. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)
Pro cestu PPG signálu má modul integrovány obvody pro potlačení okolního světla (ALC), analogový-digitální převodník (ADC) s 19-bitovým nepřetržitým převzorkováním delta-sigma (ΔΣ) a diskrétní časový filtr pro redukci šumu. Uvnitř ALC pomáhá digitálně-analogový převodník(DAC) zvýšit dynamiku vstupního signálu potlačením okolního světla. Abychom mohli vyvážit poměr spotřeby a výkonu, můžeme integrované LED ovladače naprogramovat tak, aby poskytovaly proud od 0 mA do 100 mA a aktuální šířky pulzů od 50 μs do 400 μs.
Pro další úspory energie můžeme povolit funkci přiblížení, která umožňuje, aby zařízení zůstalo v režimu spánku mezi měřeními. V tomto stavu je IR LED na minimální úrovni výkonu. Když fotodioda detekuje užitečný signál, který signalizuje přiblížení prstu uživatele nebo jiného povrchu kůže, generuje se přerušení a přístroj se vrátí do normálního provozního stavu, aby pokračoval ve vzorkování.
Pro měření EKG, MAX86150 integruje kompletní diferenciální signálovou cestu, která potřebuje pouze dvě suché elektrody a několik dalších komponent pro implementaci jedno-párového snímače EKG (obrázek 3). Stejně jako u jiných aplikací s malým signálem je přesnost měření neustále ohrožena jakýmkoliv zdrojem rušení v prostředí. Ve fitness aplikaci nejsou měřené srdeční odezvy ovlivněny biopotenciály spojenými s pohybem svalů a jinými fyziologickými procesy, ale mohou být často zaplaveny interferencí z vnějších zdrojů RF nebo elektrickým šumem.
Obrázek 3: Spolu se subsystémem PPG modul MAX86150 obsahuje kompletní jedno-párový EKG snímač, který vyžaduje pouze jeden pár suchých elektrod a minimum přídavných komponent, které poskytují data o měření EKG mikrokontroléru. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)
Integrovaný ECG analogový koncový stupeň obsahuje „chopper“ zesilovač, filtr a programovatelný zesilovač (PGA) navržený tak, aby poměr signálu k šumu byl co největší. V návaznosti na tento signální řetězec, 18-bitový ΔΣ ADC převodník převádí každý vzorek a posouvá každý výsledek do sdílené 32 vzorkové FIFO paměti, což snižuje potřebu nepřetržitého dotazování dat hostitelským mikrokontrolérem.
Pro další snížení spotřeby a omezení přístupu k datům můžeme nastavit vzorkovací frekvenci EKG i PPG z maximálně 3200 vzorků za sekundu (sps) až na 200 sps pro EKG a 10 sps pro PPG. Některé aplikace vyžadují simultární vzorkování EKG a PPG / SpO2 a synchronizaci výsledků. Pokud mají různé vzorkovací frekvence, zařízení jednoduše načte FIFO s posledním vzorkem PPG a poskytne nové údaje PPG v následujícím cyklu vzorkování daného subsystému.
Implementace
Vzhledem k tomu, že MAX86150 má v sobě integrovány všechny základní funkce potřebné pro měření EKG a PPG, může být hardwarové rozhraní MAX86150 doplněno pouze o dvojici suchých elektrod spolu s několika dalšími komponentami pro oddělení a buffering.
MAX86150 se jednoduše připojí k hostitelskému mikrokontroléru, a tím je sofistikovaný systém biopotenciálního měření hotov (Obrázek 4). Pokud je potřeba ihned začít pracovat na aplikaci, můžeme využít vývojovou sadu MAX86150EVSYS, která má vše potřebné pro vývoj aplikací s měřením EKG / PPG.
Obrázek 4: Vývojáři mohou kombinovat produkt Maxim Integrated MAX86150 s hostitelským mikrokontrolérem a přidat pouze několik dalších komponent pro implementaci pokročilého měření srdeční aktivity v mobilním fitness produktu. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)
Vývojová sada MAX86150EVSYS slouží jako aplikační platforma i referenční design. Obsahuje desku MAX86150, desku MAX32630FTHR a lithium-polymerovou baterii s kapacitou 500 mAh (Obr. 5). Deska MAX86150 obsahuje kromě MAX86150 dvě suché elektrody z nerezové oceli a další komponenty uvedené výše.
Deska MAX32630FTHR je připojena přes hřebínkový konektor a umožňuje komunikaci přes Bluetooth, který je plně integrován do mikrokontroleru MAX32630, kde je také řešen napájecí a bateriový management.
Obrázek 5: Vývojáři mohou rychle začít zkoumat metody měření srdeční aktivity pomocí vývojovvé sady MAX86150EVSYS od Maxim Integrated, který obsahuje desku MAX86150 (levá strana) se suchými elektrodami, vývojovou desku MAX32630 na bázi MAX32630FTHR a akumulátor. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)
Vývojová sada je dodávána s deskou MAX32630FTHR, která má předinstalovaný firmware pro základní aplikace s MAX86150, což umožňuje vývojářům okamžitě začít zkoumat EKG a PPG měření. Vývojáři jednoduše připojí tuto sadu desek k počítači se systémem Windows přes Bluetooth a spustí grafický software s uživatelským rozhraním pro systém MAX86150EVSYS od Maxim Integrated. Tento balíček GUI zobrazuje data EKG a PPG z MAX86150 a umožňuje snadno měnit konfiguraci a zkoumat její vliv na spotřebu (obrázek 6).
Obrázek 6: Připojení k vývojové sadě MAX86150EVSYS, softwarová aplikace umožňuje vývojářům snadno prozkoumat měření EKG a PPG provedená pomocí MAX86150. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)
Pro tvorbu vlastních aplikací je zde balíček ovladačů MAX86150 driver package, který obsahuje zdrojový kód pro základní funkce. Jsou vněm také řešeny potřebné funkce pro práci s FIFO, aby se minimalizovala spotřeba energie. Sníží se tak doba, po kterou hostitelský procesor musí zůstat v aktivním stavu. Software se spoléhá na dvojici přerušení, které reagují na události a poté podniknou definované kroky až když jsou k dispozici naměřené vzorky dat.
Tento postup zvaný interrupt-driven začíná rutinou inicializace. Ta odkazuje obslužnou rutinu na přerušení zařízení (IRQ), max86xxx_irq_handler (). Když nastane přerušení, tento obslužný program zkontroluje dostupná data zařízení a zavolá v případě potřeby samostatný obslužný program FIFO (max86xxx_fifo_irq_handler ()) a provede důležité funkce údržby včetně kontroly teploty zařízení a úrovně VDD (Výpis 1).
int max86xxx_irq_handler(void* cbdata)
{
struct max86xxx_dev *sd = max86xxx_get_device_data();
int ret;
union int_status status;
status.val[0] = MAX86XXX_REG_INT_STATUS1;
ret = max86xxx_read_reg(status.val, 2);
if (ret < 0) {
printf("I2C Communication error. err: %d. %s:%d\n",
ret, __func__, __LINE__);
return -EIO;
}
if (status.a_full || status.ppg_rdy
|| status.ecg_imp_rdy || status.prox_int) {
max86xxx_fifo_irq_handler(sd);
}
if (status.die_temp_rdy)
max86xxx_read_die_temp(sd);
if (status.vdd_oor) {
sd->vdd_oor_cnt++;
printf("VDD Out of range cnt: %d\n", sd->vdd_oor_cnt);
}
return 0;
}
Výpis 1: Tento úryvek z balíčku ovladačů Maxim Integrated MAX86150 ukazuje, jak může obslužný program IRQ zařízení minimalizovat zpracování vyvoláním samostatného obslužného programu FIFO pouze v případě, kdy jsou k dispozici vzorky nebo když nastane přerušení z důsledku přiblížení prstu. (Zdroj kódu: Maxim Integrated)
Když je vyvolán IRQ handler, FIFO handler provede operace na nízké úrovni - sestavení naměřených hodnot uložených v paměti 86150 ve vyrovnávací paměti FIFO. Obslužný program prochází dostupné vzorky ve vyrovnávací paměti FIFO a znovu sestavuje tři bajty používané k ukládání dat z 18bitového ADC kanálu pro ECG a 19bitového ADC kanálu pro PPG (výpis 2).
void max86xxx_fifo_irq_handler(struct max86xxx_dev *sd)
{
. . .
num_samples = max86xxx_get_num_samples_in_fifo(sd);
. . .
num_channel = max86xxx_get_fifo_settings(sd, &fd_settings);
. . .
num_bytes = num_channel * num_samples * NUM_BYTES_PER_SAMPLE;
fifo_buf[0] = MAX86XXX_REG_FIFO_DATA;
ret = max86xxx_read_reg(fifo_buf, num_bytes);
. . .
fifo_mode = max86xxx_get_sensor_mode(sd, fd_settings, num_channel);
. . .
sensor = get_sensor_ptr(sd, fifo_mode);
for (i = 0; i < num_samples; i++) {
offset1 = i * NUM_BYTES_PER_SAMPLE * num_channel;
offset2 = 0;
for (j = 0; j < MAX_FIFO_SLOT_NUM; j++) {
tmp_fd = (fd_settings >> (4 * j)) & 0x000F;
if (tmp_fd) {
index = offset1 + offset2;
tmp = ((int)fifo_buf[index + 0] << 16)
| ((int)fifo_buf[index + 1] << 8)
| ((int)fifo_buf[index + 2]);
samples[tmp_fd] = tmp;
max86xxx_preprocess_data(&samples[tmp_fd], 1);
offset2 += NUM_BYTES_PER_SAMPLE;
}
}
. . .
sensor->report(sensor, samples);
. . .
}
if (sensor->update)
sensor->update(sensor);
return;
. . .
Výpis 2: Tento úryvek z balíčku ovladačů Maxim Integrated MAX86150 ukazuje použití obslužného programu FIFO k extrahování naměřených dat z MAX86150 FIFO, kde každý vzorek je uložen ve tří bajtovém formátu. (Zdroj kódu: Maxim Integrated)
Závěr
Měření tepové frekvence založené na PPG a jednopárové měření EKG se používá v chytrých hodinkách, fitness náramcích a dalších mobilních zařízení. Praktická, přesná, nízkoenergetická implementace PPG i EKG do nositelných zařízení se ukázaly jako obtížné. Maxim Integrated 86150 má integrovány funkce pro měření PPG a EKG a celá implementace je jednoduchá a efektivní. V kombinaci s MCU umožňuje modul 86150 vývojářům rychle vyvíjet mobilní zdravotnické a fitness produkty, které jsou schopny poskytnout podrobné údaje o srdeční aktivitě.
Článek vyšel v originále „Use a PPG/ECG Combo Wearable Biosensor Module for FDA-Certifiable Cardio Measurements" na webu DigiKey.com, autorem je Stephen Evanczuk
