Negociar rápidamente las rutas de señales ópticas de los dispositivos portátiles con un monitor multiparamétrico

Por Bonnie Baker

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los monitores de salud y fitness para vestir utilizan diversas técnicas para recoger un amplio espectro de información sobre el movimiento, la salud general y el sueño. Para los diseñadores, el problema es encontrar la manera de satisfacer la demanda de los usuarios finales de más funciones en estos monitores portátiles para la oximetría de pulso (SpO2), la fotopletismografía (PPG), el electrocardiograma (ECG), la presión arterial y la medición de la frecuencia respiratoria. Cada función adicional no hace más que aumentar los retos de integración, gestión de la energía, rendimiento, peso, tiempo de desarrollo y coste a los que se enfrentan los diseñadores.

Por ejemplo, las soluciones de SpO2 suelen requerir una electrónica complicada con múltiples circuitos integrados (CI) que crean una ruta óptica a través del cuerpo utilizando diodos emisores de luz (LED), fotosensores, amplificadores de transimpedancia (TIA), convertidores analógico-digitales (ADC) y algoritmos asociados. Los ECG requieren un circuito analógico sensible y de bajo ruido con un amplificador de instrumentación frontal y un ADC. Estos sistemas discretos también utilizan hardware adicional para reducir los efectos de la luz ambiental y gestionar las interferencias electromagnéticas (EMI). Aunque estas soluciones funcionan, requieren un espacio considerable en la placa de circuito impreso y un firmware personalizado, lo que aumenta el costo y prolonga el tiempo de desarrollo. Lo que se necesita es una solución más completa e integrada que resuelva muchos de estos problemas de diseño.

Este artículo describe entidades físicas para vestir y un monitor multiparamétrico que comprende controladores LED, TIA, un filtro de paso de banda, un integrador y un ADC. El artículo muestra cómo utilizar un monitor multiparamétrico( ADPD4101 de Analog Devices ) y las placas de desarrollo asociadas para simplificar y acelerar el proceso de diseño.

Visión general del front-end analógico

El control de las constantes vitales se extiende más allá de los límites de la consulta médica y llega a la vida cotidiana. Inicialmente, el control de los signos vitales de la salud estaba bajo estricta supervisión médica en hospitales y clínicas. Los procesos microelectrónicos y los avances en el diseño permiten reducir los costos de los monitores portátiles, lo que hace posible la telemedicina, el deporte y la monitorización del estado físico. Con esta expansión a los dispositivos para vestir, los estándares de calidad relacionados con la salud siguen satisfaciendo las expectativas de alto nivel de excelencia del usuario.

La monitorización de los signos vitales consiste en medir una serie de parámetros fisiológicos que pueden indicar la salud de un individuo. Por ejemplo, una medición de SpO2 detecta el porcentaje de oxigenación de la sangre y la frecuencia cardíaca. Los sensores adecuados para los dispositivos portátiles de SpO2 son los LED y fotodiodos.

Las mediciones de ECG y bioimpedancia determinan la frecuencia cardíaca, la respiración, la presión arterial, la conductancia de la piel y la composición corporal. Las soluciones para estos signos vitales deben ser compactas, energéticamente eficientes y fiables. El seguimiento de estos signos críticos requiere mediciones ópticas, biopotenciales y de impedancia.

Vías ópticas de señalización de los signos vitales

La SpO2 mide el porcentaje de saturación de oxígeno en la sangre y otros signos vitales. La medición de la oxigenación de la sangre utiliza una técnica de SpO2 que evalúa la transmisión de luz del LED a través de la carne a diferentes frecuencias ópticas. La prueba de SpO2 puede identificar una mala oxigenación, lo que indica la aparición de enfermedades o trastornos que afectan al sistema respiratorio. Los datos de la medición de la SpO2 también pueden estimar la verdadera saturación arterial de O2, y la concentración de oxígeno en sangre (SaO2).

Al realizar una medición de SpO2, el sistema óptico requiere una caja de herramientas de varios LED y fotodetectores. La cadena de señales típica para las mediciones ópticas tiene LED que generan varias longitudes de onda que permiten la identificación global del nivel relativo de oxígeno en sangre. Una serie de fotodiodos de silicio transforman la señal óptica del LED recibida en una fotocorriente. La amplificación y conversión ADC de la corriente del fotodiodo produce la resolución y precisión necesarias (Figura 1).

El diagrama de la cadena de señales para la prueba de SpO2 comienza con las señales luminosas LED (haga clic para ampliar)Figura 1: La cadena de señales para la prueba de SpO2 comienza con las señales de luz LED a través de la carne del paciente. Un fotodiodo capta las señales de la carne, convirtiendo la luz del LED en una señal de corriente de pico-amperios (pA). Un TIA convierte esa corriente en una tensión y la envía a un ADC. (Fuente de la imagen: Analog Devices, modificada por Bonnie Baker)

La prueba de SpO2 utiliza LED de longitud de onda infrarroja (IR) de 940 nanómetros (nm) y de longitud de onda roja de 660 nm. Con la longitud de onda IR de 940 nm, la hemoglobina oxigenada absorbe más la luz IR. La hemoglobina desoxigenada absorbe más luz de longitud de onda roja de 660 nm. El fotodiodo recibe la luz no absorbida independientemente de ambos LED. Sin embargo, estos LED no transmiten la luz al mismo tiempo. Hay una secuencia de impulsos para los LED que garantiza que los errores de cruce sean insignificantes (Figura 2).

Imagen de la sincronización del equipo de SpO2 del LED rojo de 660 nm (PulseRED) y del LED IR (PulseIR) (haga clic para ampliar)Figura 2: La sincronización del equipo de SpO2 con el LED rojo de 660 nm (PulseRED) y el LED IR (PulseIR) garantiza que no se produzca un desbordamiento de la luz de cada señal luminosa. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

Las señales percibidas de los LED crean componentes de CA y CC. El componente de CA representa la naturaleza pulsátil de la sangre arterial. El componente de CC es una constante que representa la absorción de la luz debida al tejido, la sangre venosa y la sangre arterial no pulsante. Este componente es la porción no variable en el tiempo de la arteria, que ocurre durante la fase de reposo del corazón. La ecuación 1 muestra el cálculo del porcentaje de SpO2:

Ecuación 1 Ecuación 1

El circuito discreto de medición de SpO2 tiene seis sistemas críticos: Amplificadores del conductor del LED, TIA, etapa de ganancia analógica, ADC, convertidor digital-analógico (DAC) para controlar el amplificador del conductor del LED, y una referencia de tensión analógica para el ADC y el DAC.

Los amplificadores de los LED deben alternar entre los dos canales para garantizar que las luces rojas e infrarrojas no se mezclen. La TIA toma la corriente del fotodiodo y la convierte en una salida de tensión. Un amplificador de ganancia aumenta la magnitud de la señal en preparación para el rango de entrada del ADC en la salida de tensión de la TIA. Tras el amplificador de ganancia, un ADC digitaliza la señal y la envía a un microcontrolador o DSP. Por último, toda la cadena de señales requiere una referencia de tensión analógica.

Mediciones de biopotencial y bioimpedancia

Un biopotencial es una señal eléctrica debida a la actividad electroquímica del cuerpo. Por ejemplo, una medición biopotencial puede ser un ECG. La amplitud de la señal de los latidos es de 0.5 milivoltios (mV) a 4 mV y tiene un rango de frecuencia de 0.05 Hertz (Hz) hasta 40 Hz.

En el hospital o en la consulta del médico, éste controla la actividad cardíaca mediante la colocación de electrodos en la piel. Los electrodos húmedos aseguran un buen contacto con el cuerpo, normalmente son almohadillas de plata/cloruro de plata (Ag/AgCl). Las personas que utilizan aplicaciones portátiles encuentran que estos electrodos son extremadamente incómodos y pueden secarse fácilmente o empezar a irritar la piel.

Como alternativa, el circuito de ECG portátil acumula una carga eléctrica en un condensador de detección. Con una constante de tiempo optimizada, calculada a partir de la red pasiva de resistencia-capacitor (RC), el proceso de carga elimina la variación de la impedancia de contacto piel-electrodo. En la figura 3, la señal de ECG se acopla a una red RC y a la TIA1. Este circuito de ECG tiene una inmunidad innata a las variaciones de la impedancia de contacto entre la piel y el electrodo.

El diagrama de las almohadillas ECG+ y ECG- son conexiones secas con el pacienteFigura 3: Las almohadillas ECG+ y ECG- son conexiones secas con el paciente. Estas almohadillas transmiten el cambio de carga de la piel a la red RC. El BIO-Z1 y el BIO-Z2 son conexiones a través de una resistencia de parche de carne (RBIO-Z), y utilizan el TIA2 para medir el cambio en la resistencia de la piel en paralelo con el RBIO-Z. (Fuente de la imagen: Analog Devices, modificada por Bonnie Baker)

La bioimpedancia es otra medida que proporciona información física útil. Las mediciones de impedancia proporcionan información sobre la actividad electrodérmica en relación con la composición del cuerpo y el nivel de hidratación. El segundo circuito de detección de la figura 3 mide la resistencia de la piel utilizando una resistencia de almohadilla, RBIO-Z, en paralelo con la resistencia de la piel. Esta prueba no requiere una señal LED. La resistencia de la piel es aproximadamente infinita a menos que el paciente genere humedad o sudor debajo de la almohadilla. La generación de sudor corporal reduce la resistencia paralela de la piel, aumentando la corriente que entra en la entrada inversora de la TIA2.

El monitor de fitness para vestir presenta una combinación única de desafíos de detección fisiológica. Cada requisito adicional aumenta la complejidad del circuito y el espacio de la placa de PC. A medida que aumenta el número de opciones de monitores de salud y fitness, también lo hace la necesidad de un CI altamente integrado, complejo y compacto.

El sensor multimodal integrado

Los CI ADPD4100 y ADPD4101 son completos frontales de sensor multimodal que estimulan hasta ocho LED y miden las señales de retorno con hasta ocho entradas de corriente independientes. Se dispone de doce intervalos de tiempo, lo que permite realizar doce mediciones independientes por período de muestreo. Las entradas analógicas se pueden manejar en un solo extremo o en pares diferenciales. Las ocho entradas analógicas se multiplexan en un solo canal o en dos canales independientes, lo que permite el muestreo simultáneo de dos sensores. La única diferencia entre estos dos productos es que el ADPD4100 tiene una interfaz SPI y el ADPD4101 tiene una interfaz I2C (Figura 4).

Diagrama de bloques funcional del ADPD4100 y ADPD4101 de Analog Devices (haga clic para ampliar)Figura 4: El diagrama de bloques funcionales del ADPD4100 y del ADPD4101 ilustra los canales de salida del accionamiento del LED y los canales de entrada analógica. Los canales de entrada reciben señales de fotodiodo o de corriente capacitiva para su conversión a través del ADC. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En la Figura 4, el control de tiempo de procesamiento digital tiene doce ranuras de tiempo disponibles, lo que permite doce mediciones separadas por período de muestreo. Junto con los LED y fotodiodos externos, la arquitectura flexible del ADPD4100/ADPD4101 ayuda a los diseñadores a satisfacer sus necesidades de medición vestibles mediante la recogida de datos de biopotencial y bioimpedancia. El ADPD4100 tiene un módulo analógico completo con una interfaz digital SPI. La interfaz digital del ADPD4101 es I2C.

Las rutas de señales analógicas del ADPD4100/ADPD4101 constan de ocho entradas de corriente que se pueden configurar como pares simples o diferenciales en uno de los dos canales independientes (Figura 5).

Imagen del diagrama de bloques de la ruta de la señal analógicaFigura 5: El diagrama de bloques de la ruta de la señal analógica tiene ocho terminales de entrada analógica y dos TIA. El filtro de paso de banda (BPF) precede al integrador que ayuda a aumentar la resolución del ADC. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En la Figura 5, la opción de muestrear simultáneamente dos sensores está disponible con los dos canales TIA. Cada canal puede acceder a un TIA con ganancia programable (RF), un filtro de paso de banda (BPF) con una esquina de paso alto a 100 kilohercios (kHz), una frecuencia de corte de paso bajo de 390 kHz y un integrador capaz de integrar ±7.5 picoculombios (pC) por muestra. Cada canal está multiplexado en tiempo en un ADC de 14 bits. En la figura 5, RINT es la resistencia en serie a la entrada del integrador.

El ADPD4100/ADPD4101 resuelve muchos de los retos a los que se enfrentan los diseñadores cuando trabajan en dispositivos wearables. El front-end biomédico cumple con todos los requisitos gracias a su etapa de entrada de sensor de doble canal de alto rendimiento, los canales de estímulo, el motor de procesamiento digital y el control de sincronización. Esta generación de frontales de sensores multimodales tiene unas especificaciones mejoradas de señal-ruido de 100 decibelios (dB), y un consumo de energía reducido (30 microvatios (µW)) para todo el sistema.

Placa de evaluación ADPD4101

La placa de evaluación EVAL-ADPD4100Z-PPG (Figura 6) es valiosa para los diseñadores que estén considerando el front-end fotométrico ADPD4100/ADPD4101. La tarjeta implementa un diseño óptico discreto y sencillo para aplicaciones de monitorización de las constantes vitales, concretamente la PPG basada en la muñeca.

Imagen de la placa EVAL-ADPD4100Z-PPG de Analog DevicesFigura 6: La tarjeta EVAL-ADPD4100Z-PPG ayuda a evaluar el ADPD4100/ADPD4101 para diseños PPG basados en la muñeca. Los elementos ópticos (derecha) comprenden tres LED verdes, uno IR y uno rojo, así como un fotodiodo. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El EVAL-ADPD4100Z-PPG tiene tres LEDs verdes, uno IR y uno rojo, todos accionados por separado. También hay un único fotodiodo a bordo, lo que hace que esta placa de evaluación esté lista para funcionar inmediatamente.

Un diseño de referencia ADPD4101

Una herramienta útil para conectar sensores al ADPD4101 es el diseño de referencia EVAL-CN0503-ARDZ. Este diseño de referencia no está relacionado específicamente con los monitores portátiles, pero es útil para ver cómo la Guía del usuario del CN0503 ilustra que el EVAL-CN0503-ARDZ utiliza el ADPD4101 para detectar la turbidez, el pH, la composición química y otras propiedades físicas. El diseño de referencia EVAL-CN0503-ARDZ es una plataforma óptica de líquidos reconfigurable y multiparamétrica que puede realizar mediciones de colorimetría y fluorometría (Figura 7).

Esquema simplificado de la plataforma de medición óptica de líquidos EVAL-CN0503-ARDZ de Analog Devices (haga clic para ampliar)Figura 7: Esquema simplificado de la plataforma de medición óptica de líquidos EVAL-CN0503-ARDZ. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El EVAL-CN0503-ARDZ, en combinación con la tarjeta de desarrollo EVAL-ADICUP3029, tiene cuatro rutas ópticas configurables (Figura 8). Las dos vías exteriores también incluyen fotodiodos perpendiculares y receptáculos de filtro para las mediciones de fluorescencia y dispersión. Cada camino tiene un LED de excitación, una lente condensadora, un divisor de haz, un fotodiodo de referencia y un fotodiodo de transmisión.

Imagen de EVAL-CN503-ARDZ de Analog Device completamente montado sobre el EVAL-AIDCUP3029Figura 8: EVAL-CN503-ARDZ completamente montado en la parte superior y EVAL-AIDCUP3029 en la parte inferior. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Esta configuración óptica, junto con el controlador CN0503-Device y el software de evaluación Wavetool, proporciona una vía para el análisis óptico completo de líquidos.

Conclusión:

A los diseñadores se les pide constantemente que añadan más funcionalidad a los monitores portátiles. Esto complica y ralentiza aún más el proceso de diseño, encarece económicamente los componentes y aumenta el consumo de energía. Es necesario un enfoque más integrado para la vigilancia de la salud.

Como se muestra, la combinación de LED, fotodetectores, una ruta de señal ADC y doce rutas de señal temporizadas proporcionadas por el ADPD4101 de Analog Devices crea un sistema de detección resistente y de alta precisión para dispositivos médicos y recreativos portátiles. Con los múltiples canales analógicos y de LED del ADPD4101 y los algoritmos de temporización superiores, el dispositivo proporciona una solución ideal para las mediciones de SpO2, ECG cardíaco y resistencia de la piel que se pueden llevar puestas.

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Acerca de este autor

Bonnie Baker

Bonnie Baker es una experimentada profesional de la cadena de señales analógicas, mixtas y electrónicas. Baker ha publicado y es autora de cientos de artículos técnicos, columnas de EDN y artículos de productos en publicaciones de la industria. Mientras escribía “A Baker's Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers” (Una docena de Baker: verdaderas soluciones analógicas para diseñadores digitales) y como coautora de varios otros libros, trabajó como diseñadora, modeladora e ingeniera de marketing estratégico con Burr-Brown, Microchip Technology, Texas Instruments y Maxim Integrated. Baker tiene una Maestría en Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Arizona, Tucson, y una licenciatura en educación musical de la Universidad de Arizona del Norte (Flagstaff, AZ). Ha planificado, escrito y presentado cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluyendo ADC, DAC, amplificadores operacionales, amplificadores de instrumentación, SPICE y modelado IBIS.

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