Sistēmas integrācijas apsvērumi attiecībā uz sirdsdarbības ātruma noteikšanas shēmām

How do you explain consciousness? | David Chalmers (Jūnijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Kad runa ir par optiskiem HRM dizainiem, izstrādātājiem ir izvēle darīt visu vai iegādāties visu

BY MORRIE ALTMEJD, vecāko darbinieku sistēmu inženieris
Silicon Labs
www.silabs.com

Sistēmas optiskas sirdsdarbības monitorings (HRM), kas pazīstams arī kā fotoplethizmogrāfija (PPG), izstrāde ir sarežģīts un multidisciplinārs uzdevums. Dizaina faktori ir cilvēka ergonomika, signālu apstrāde un filtrēšana, optiskais un mehāniskais dizains, zemas trokšņa signālu saņemšanas shēmas un zemas trokšņa strāvas impulsu radīšana.

Valkājamie ražotāji arvien vairāk pievieno HRM spējas saviem veselības un fitnesa produktiem, kas palīdz samazināt HRM lietojumos izmantoto sensoru izmaksas. Daudzi HRM sensori tagad apvieno diskrētas sastāvdaļas, piemēram, fotodetektorus un gaismas diodes, augsti integrētos moduļos. Šie moduļi ļauj vienkāršāk īstenot, kas samazina HRM pievienošanas izmaksas un sarežģītību valkājamiem produktiem.

Valkājami formas faktori pastāvīgi mainās, kā arī. Kamēr krūškurvja siksnas gadiem ilgi efektīvi apkalpo veselības un fitnesa tirgus, HRM tagad migrē uz rokas piederumiem. Uzlabojumi optiskās uztveres tehnoloģijās un augstas veiktspējas, mazjaudas procesoros ir ļāvuši daudziem dizainparaugiem nodrošināt, ka plaukstas formas faktors ir dzīvotspējīgs. HRM algoritmi ir sasnieguši arī izsmalcinātības līmeni, kas ir pieļaujams plaukstas formas faktoros.

Attīstās arī citi jauni, valkājami sensori, formas faktori un atrašanās vietas - piemēram, galvassegas, sporta un fitnesa apģērbs un austiņas. Tomēr lielākā daļa valkājamu biometrisko uztveršanas tiks veikta uz rokas.

HRM dizaina pamati
Neviena no HRM lietojumprogrammām nav līdzīga. Sistēmas izstrādātājiem ir jāņem vērā daudzi dizaina kompromisi: gala lietotāju komforts, sensora precizitāte, sistēmas izmaksas, enerģijas patēriņš, saules gaismas atstāšana, kā rīkoties ar daudziem ādas tipiem, kustības noraidīšana, izstrādes laiks un fiziskais izmērs. Šie dizaina apsvērumi ietekmē sistēmu integrācijas iespējas: vai izmantot augsti integrētus moduļus vai arhitektūras, kurās ir vairāk diskrētu komponentu.

1. attēls: darbības optiskas sirdsdarbības ritma monitorings.

1. attēlā parādīti sirds ritma signālu mērīšanas pamatprincipi, kas atkarīgi no sirdsdarbības frekvences spiediena viļņa, kas optiski ekstrahē no audiem. Tas parāda ceļa gaismu, kas nonāk ādā. Kapilāru izplešanās un kontrakcijas - ko izraisa sirdsdarbības ātruma spiediena viļņa - modulē gaismas signālu, ko injicē audos zaļie LED.

Saņemto signālu ļoti mazina braukšana pa ādu, un tā tiek uztverta ar fotodiode un tiek nosūtīta uz apstrādes elektronisko apakšsistēmu. Ar impulsu saistītā amplitūdas modulācija tiek noteikta, analizēta un parādīta.

Pamatprincips HRM sistēmas projektēšanā tiek izmantots pēc pasūtījuma ieprogrammēts, mikrokontrolleru komplekts, kas kontrolē ārējo LED draiveru impulsu un vienlaicīgi nolasa diskrēto fotodiodu pašreizējo izvadi. Ņemiet vērā, ka pašreizējais fotodiodes izvads jāpārvērš par spriegumu, lai darbinātu analogo-ciparu (A / D) blokus. 2. shēmā attēlota šādas sistēmas kontūra.

2. attēls: pamata elektronika, kas nepieciešama, lai uztvertu optisko sirdsdarbības ātrumu.

Šeit ir vērts atzīmēt, ka I-V-pārveidotājs izveido spriegumu, kas vienāds ar V REF pie 0 fotodiode strāvas, un spriegums samazinās, palielinoties strāvai.

Personāla vadības bloki
Pašreizējie impulsi, ko parasti izmanto sirds ritma sistēmās, ir no 2 mA līdz 300 mA atkarībā no tēmas ādas krāsas un saules gaismas intensitātes, ar kuru vēlamajam signālam ir jākonkurē. Infrasarkanais (IR) starojums saules gaismā šķērso ādas audus ar nelielu vājinājumu, atšķirībā no vēlamā zaļā LED gaismas, un var pārpelnot vēlamo signālu, ja vien zaļā gaisma nav ļoti spēcīga vai ja tiek pievienots dārgs IR bloķēšanas filtrs.

Vispārīgi runājot, zaļās gaismas diožu gaismas intensitāte, kad tā nonāk ādā, ir 0, 1 līdz 3 reizes lielāka par saules gaismas intensitāti. Pateicoties tam, ka audi ir smagi slāpējuši, signāls, kas nonāk pie fotodiodes, ir diezgan vājš un rada tikai pietiekami daudz strāvas, lai nodrošinātu saprātīgu signāla un trokšņa attiecību (SNR) - no 70 līdz 100 dB - radītā trokšņa dēļ pat ideālu, bez troksni op-ampēru un A / D pārveidotāju klātbūtne.

Šāviena troksnis ir saistīts ar ierobežotu elektronu skaitu, kas saņemti par katru nolasījumu 25 Hz frekvencē. Projektē izmantotie fotodiodes izmēri ir no 0, 1 mm2 līdz 7 mm2. Tomēr virs 1 mm saules starojuma ietekmē samazinās atdeve.

Sarežģītie un dārgi funkcionālie bloki, kas paredzēti optiskas sirdsdarbības sistēmas projektēšanā, kā parādīts 2. attēlā, ir ātri un lielformātri V-to-I pārveidotāji, kas vadīt LED, strāvas-sprieguma pārveidotāju fotodiode un uzticams algoritms MCU, kas sekotu pākšaugiem zem saimniekdatora kontroles. Maza trokšņa LED draiveris - ar 300 mA un 75-100 dB SNR - kuru var iestatīt uz ļoti zemu strāvu līdz 2 mA, vienlaikus radot ļoti šaurus gaismas impulsus līdz 10 mikrosekundēm, ir dārgs bloks ar diskrētu op- pastiprinātāji

Šaurs gaismas impulss līdz 10 μs, kas parādīts 2. attēlā, ļauj sistēmai panest kustību un saules gaismu. Parasti katram 25-Hz paraugam tiek veikti divi gaismas mērījumi. Viens mērījums tiek veikts, izslēdzot gaismas diodes un ieslēdzot gaismas diodes. Aprēķinātā atšķirība noņem apkārtējās gaismas efektu un nodrošina vēlamo neapstrādāto optiskā signāla mērījumu, kas ir nejutīgs pret mirgojošu fona gaismu.

Īsais optisko impulsu ilgums gan pieļauj un prasa relatīvi spēcīgu gaismas impulsu. Ir būtiski palikt gaišāki nekā saules gaismas signāls, kas var būt klāt, un neļaujot PPG signāla pārvadātājam izkliedēt saules gaismas signālu.

Ja saules gaismas signāls ir lielāks par PPG nesēju, tad, lai arī to var noņemt ar atņemšanu, signāls var būt tik liels, ka ārēja modulācija, piemēram, roku atvēršana un izkļūšana no ēnas, var radīt grūti noņemamus artefaktus. Tā rezultātā sistēmas, kurās izmanto zemas strāvas LED draiverus un lielas fotodiodes, var ievērojami ciest no kustību artefaktiem spilgtas gaismas situācijās.

Diskrēts un integrēts dizains
Liela daļa no vēlamās HRM jūtīguma funkcionalitātes ir jau iepriekš izstrādātas un integrētas vienā ierīcē. Lielāko daļu šīs funkcionalitātes iepakojot vienā silīcija gabalā, tiek iegūts relatīvi mazs 3 x 3 mm iepakojums, kas pat var tieši integrēt fotodiode.

3.attēls parāda piemēru shematiskai ar optisko sensoru. Šis personāla vadības plāns ir salīdzinoši viegli īstenojams. Jums vienkārši jāpievērš uzmanība optiskajai dizaina daļai, kas ietver optisko bloķēšanu starp tā sastāvdaļām un sistēmas savienošanu ar ādu.

3. attēls: integrētajam sirdsdarbības frekvences sensoram ir nepieciešami tikai ārējie LED.

Lai gan pieeja, kas parādīta 3.attēlā, nodrošina augstas veiktspējas HRM risinājumu, tā nav tik maza vai energoefektīva kā daži dizaineri vēlētos. Lai sasniegtu vēl mazāku risinājumu, LED mirgo un vadības silīcija jāintegrē vienā iepakojumā, kas ietver visas būtiskās funkcijas, tostarp optisko bloķēšanu un lēcas, kas uzlabo LED produkciju. Attēls 4 ilustrē šo vairāk integrēto pieeju, kuras pamatā ir Silicon Labs Si117x optiskais sensors.

4. attēls. Augsti integrēts HRM sensora modulis, kas ietver visas būtiskās sastāvdaļas.

Šim personālajam projektam nav nepieciešami ārējie LED. Gaismas diodes un fotodiods ir moduļa iekšējie elementi, kurus var uzstādīt tieši zem optisko pieslēgvietu aizmugurē no valkājama produkta, piemēram, viedtūvera. Šī pieeja nodrošina īsāku attālumu starp gaismas diodei un fotodiodei, nekā tas ir iespējams ar atsevišķu dizainu. Samazinātais attālums ļauj darboties ar ļoti zemu jaudu, jo zemāki optiskie zudumi šķērso ādu.

Gaismas diodes integrēšana pievēršas arī jautājumam par gaismas noplūdi starp gaismas diodei un fotodiodu tā, lai dizaineris nepieprasa optisko bloķēšanu pie PCB. Alternatīva šai pieejai ir bloķēšana ar plastmasas vai putuplasta ieliktņiem un īpašiem vara slāņiem uz PCB.

Ir vēl viena daļa no HRM dizaina, kas izstrādātājiem nav obligāti jāizveido: HRM algoritms. Šis programmatūras bloks, kas uzturas uzņemošajā procesorā, ir diezgan sarežģīts signāla korupcijas dēļ, kas rodas fiziskās aktivitātes un kustības laikā. Gala lietotāja kustība bieži rada savu signālu, kas sagrauj faktisko sirdsdarbības frekvences signālu un dažreiz tiek false atzīts par sirdsdarbības ātrumu.

Ja valkājamam izstrādātājam vai ražotājam nav resursu, lai izstrādātu algoritmu, trešās puses piegādātāji nodrošina šo programmatūru licencētā veidā. Projektētājam ir jāizlemj, cik liela integrācija ir piemērota personālajam cilvēkam. Attīstītājs var vienkāršot projektēšanas procesu un ātrumu, kas nepieciešams tirgū, izvēloties ļoti integrētu uz moduli balstītu pieeju, izmantojot licencētu algoritmu.

Izstrādātāji ar padziļinātu optiskās uztveršanas pieredzi, laiku un resursiem var izvēlēties izmantot atsevišķas sastāvdaļas - sensorus, fotodiodes, lēcas utt. - veikt savu sistēmu integrāciju un pat izveidot savu HRM algoritmu.