Фотоплетизмография (ППГ) (Photoplethysmography, PPG) – популярный оптический метод, используемый для контроля сердечного ритма (heart rate monitoring, HRM) и измерения уровня насыщенности крови кислородом (SpO2). Это очень простой и удобный способ измерения, который в базовом варианте требует для своей реализации только светодиода и фотодиода.
ППГ основывается на измерении степени поглощения света при прохождении через мягкие ткани пациента. Степень поглощения напрямую определяется относительными концентрациями оксигемоглобина и дезоксигемоглобина. Изменение объема крови в процессе систолы и диастолы сердца может быть использовано для оценки насыщения артериальной крови кислородом.
При выполнении ППГ на полезный сигнал накладываются артефакты, зависящие от длины волны источника света. Дело в том, что поглощение и, следовательно, глубина проникновения света в мягкие ткани пациента зависит от длины волны. Поглощение света длинноволнового диапазона, в частности красного и ближнего инфракрасного спектров (NIR), оказывается относительно низким, что обеспечивает его более глубокое проникновение в ткани. Свет с короткой длиной волны, например, зеленый и синий, сильно поглощается меланином, поэтому для него глубина проникновения в ткань относительно мала. Таким образом, свет красного и ближнего инфракрасного спектров сильнее подвержен появлению артефактов, в то время как зеленый и синий свет относительно свободны от артефактов.
На рис. 1 показаны глубины проникновения световых сигналов с длинами волн от 400 до 1000 нм в кожу человека.
Рис. 1. Зависимость глубины проникновения света (δ) от длины волны
Если использовать мультиплексированную систему из нескольких светодиодов и фотодиодов, то вполне реально выполнять ППГ на разных длинах волн. Диоды могут мультиплексироваться как по длине волны, так и по времени, позволяя детектору контролировать различные параметры.
В референсной схеме многоволнового оптического монитора сердечного ритма и SpO2 с Bluetooth 5 используется однокристальная биочувствительная микросхема AFE4420, которая может одновременно работать с четырьмя светодиодами и четырьмя мультиплексированными по времени фотодетекторами. Данная микросхема имеет в своем составе драйверы светодиодов и цепи нормирования сигналов, принимаемых от фотодиодов.
Цикл измерения может быть разбит на 16 фаз, для каждой из которых индивидуально настраивается конфигурация светодиодов и фотодетекторов (см. рис. 2). Микросхема AFE передает данные по SPI или I2C беспроводному микроконтроллеру CC2640R2F SimpleLink™ c процессорным ядром Arm® Cortex®-M3 и встроенным радиочастотным трансивером 2,4 ГГц. Передача данных сторонним устройствам может выполняться как с помощью проводного интерфейса JTAG, так и по Bluetooth 5.
Рис. 2. Блок-схема многоволнового оптического монитора сердечного ритма и SpO2
Ключевыми особенностями данной схемы являются:
- Формирование потока необработанных данных ППГ для расчета частоты сердечных сокращений, SpO2 и других связанных параметров с помощью специализированной микросхемы AFE4420. AFE4420 отличается от других, представленных на рынке решений, своим уровнем интеграции, низким энергопотреблением и компактными размерами. Данная микросхема позволяет гибко управлять режимами пониженного потребления, обеспечивая низкое потребление в первую очередь за счет максимально долгого нахождения микроконтроллера в спящем режиме, что гарантирует длительную работу аккумуляторов и батареек
- Беспроводная связь реализована с помощью микроконтроллера CC2640R2F. CC2640R2F построен на базе процессорного ядра Arm Cortex-M3 и имеет встроенный радиочастотный трансивер 2,4 ГГц, поддерживающий Bluetooth2 и 5.0. CC2640R2F используется не только для беспроводной связи, но для общего управления всей системой. Встроенный DC/DC-преобразователь помогает повысить общую эффективность системы и продлить срок службы батареи. Встроенный алгоритм обнаружения разряженной батареи помогает сократить количество дополнительных компонентов, что важно для современных компактных устройств.
- Питание от дисковой батарейки. В данном случае используется одна дисковая 3-В батарейка CR3032 емкостью 500 мА, которая обеспечивает 100 часов непрерывной работы или работу в течение 30 дней при передаче данных в течение одной секунды один раз в минуту.
Рассматриваемая референсная схема была создана для дальнейшего использования в медицинской технике, персональных медицинских приборах и фитнес-приложениях. На сайте TI в открытом доступе находятся все данные по этому проекту: руководство по проектированию, принципиальная схема, проект печатной платы, перечень компонентов. Эта информация поможет вам быстро оценить характеристики данного решения и ускорить разработку собственных приборов.
