Gebruik een draagbare gecombineerde PPG/ECG-biosensormodule voor FDA-certificeerbare hartslagmetingen

By Stephen Evanczuk

Contributed By De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Consumenten vragen om meer nauwkeurige fitness- en hartgezondheidsgegevens van smartwatches, gezondheidsarmbanden en andere mobiele apparaten die op batterijen werken. Om aan deze verwachtingen te voldoen, hebben ontwikkelaars moeten worstelen met ingewikkelde en dure multicomponentsoplossingen. Die kunnen uiteindelijk een hoge nauwkeurigheid bereiken, maar wel ten koste van een hoger energieverbruik, een grotere voetafdruk en langere ontwikkelingstijden. Er is een eenvoudiger, elegantere oplossing nodig.

In dit artikel wordt een route naar zo'n oplossing voorgesteld, op basis van een sterk geïntegreerde module van Maxim Integrated. Eerst worden kort de moeilijkheden rondom nauwkeurige bewaking van de hartprestaties besproken. Daarna wordt getoond hoe ontwikkelaars de module kunnen gebruiken om FDA-certificeerbare hartslagbewaking tijdens activiteiten en elektrocardiogram-metingen (ECG) in rust uit te voeren.

Meting van de hartprestaties

Zorgverleners vertrouwen routinematig op ECG's om zo gedetailleerd mogelijke gegevens te verkrijgen over de hartgezondheid, zonder invasieve procedures. ECG-apparatuur vangt de golfvormen op die worden gegenereerd door spierde- en repolarisatie tijdens de hartcyclus (Afbeelding 1). Voor dit proces moeten er 10 elektroden op strategische plaatsen op het hele lichaam worden geplaatst. Die worden vervolgens gecombineerd in 12 paren, of afleidingen, die overeenkomen met verschillende assen van golfvormen die worden gegenereerd in het hartweefsel.

Afbeelding van elektrocardiogram (ECG) vergeleken met fotoplethysmogram (PPG)

Afbeelding 1: Hoewel een elektrocardiogram (ECG) meer detail levert, kan het eenvoudiger fotoplethysmogram (PPG) nuttige informatie geven zoals episoden van premature ventriculaire contractie (PVC), wat hier te zien is. (Bron afbeelding: Wikipedia)

Een elektrode die op het been van de patiënt is geplaatst, kan bijvoorbeeld worden gekoppeld met een andere elektrode om een afleiding te vormen die details opvangt van de depolarisatiegolf van de hartkamers die zich via het hartweefsel omlaag beweegt. ECG-apparaten van medische kwaliteit met 12 afleidingen gebruiken deze benadering, door gegevens van verschillende elektrodeparen te combineren om golven te meten langs de optimale as van iedere fase van de hartcyclus.

ECG-metingen door commerciële fitnessapparaten daarentegen gebruiken gewoonlijk slechts één elektrodepaar. Vandaar de term eenkanaals-ECG voor deze klasse apparaten. Hoewel eenkanaals-ECG's te weinig detail bevatten voor diagnose door een cardioloog, geven ze wel voldoende informatie over de hartprestaties om zorgverleners te wijzen op mogelijke pathologieën waarvoor ECG's met 12 afleidingen nodig zijn om een zorgvuldige diagnose te stellen.

In de praktijk kan het gebruik van eenkanaals-ECG-metingen in een fitnessapparaat bijzonder problematisch zijn omdat de metingen eenvoudig kunnen worden beïnvloed door iedere duidelijke beweging van de persoon. Iedere spierbeweging heeft elektrische golven door depolarisatie van de spiervezels tot gevolg, die door de geleidende weefselmassa lopen. Een beweging van een grote spiergroep kan biopotentialen genereren die eenvoudig signalen kunnen onderdrukken die afkomstig zijn van een dieper gelegen signaalbron, zoals hartspieren. Als gevolg daarvan moet voor nauwkeurige ECG-metingen de persoon stil blijven liggen of zitten, of dat nu in een gezondheidscentrum is of tijdens een workout.

Pogingen om eenkanaals ECG's uit te voeren terwijl iemand aan het sporten is, zullen dan ook hoogstwaarschijnlijk mislukken. Daarom vertrouwen persoonlijke fitnessapparaten die de hartslag weergeven tijdens het sporten gewoonlijk op fotoplethysmografie-methoden (PPG).

De meest basale vorm van PPG gebruikt optische sensors om het relatieve verschil in lichtreflectie (of -absorptie) te meten, omdat iedere bloeddoorstroming het volume van de bloedvaten verandert. Hoewel de eerste hartslagmonitors voor consumenten deze basisbenadering gebruikten, wordt vandaag de dag in fitnessproducten gewoonlijk een meer geavanceerde vorm van PPG gebruikt die de perifere zuurstofsaturatie (SpO2) meet. Dit geeft de gebruikers een beter begrip van hun fysiologische reactie op sport.

SpO2-metingen maken gebruik van de verschillende absorptiespectra van zuurstofrijk versus zuurstofarm bloed wanneer dit wordt verlicht door rode en infrarode leds met emissiecentra die zijn gecentreerd op de twee respectieve hemoglobinestatussen (zie “Hartslagbewakingsfuncties toevoegen aan fitnessapparatuur”). Hoewel SpO2 zich concentreert op de verhouding tussen de twee statussen, kan de meting van het basis-hartritme van dezelfde gegevens worden afgeleid door de piek-tot-piek cyclustijd van de gemeten optische signalen te meten. Commerciële pulsoximeters gebruiken deze manier om een meer betrouwbare meting van de hartslag te geven ondanks lichaamsbeweging, verschillen in afzonderlijke gebruikers of andere factoren.

Terwijl methoden die gebaseerd zijn op optische PPG al jaren worden gebruikt in fitnessapparaten, is eenkanaals-ECG pas sinds kort opgedoken in consumentenproducten, zoals de Apple Watch. Onder druk van de concurrentie krijgen fabrikanten van fitness-polsbanden, smartwatches en andere persoonlijke elektronische apparaten te maken met een steeds hogere vraag naar gebruik van zowel PPG- als eenkanaals-ECG-mogelijkheden in hun producten.

Voor ontwikkelaars heeft het gebruik van één enkele van deze mogelijkheden echter al tal van moeilijkheden veroorzaakt. PPG-ontwerpen met twee leds moeten op optimale wijze rode en IR-leds kunnen aandrijven, het gereflecteerde of geabsorbeerde licht kunnen opvangen, de resultaten kunnen synchroniseren en ten slotte de hartslag en eventueel ook de SpO2 kunnen berekenen. Voor een eenkanaals-ECG-ontwerp is uitgebreide ervaring nodig met het bouwen van analoge signaalroutes die kunnen omgaan met de signalen met veel ruis die optreden bij metingen van actieve biopotentiaalverschijnselen.

Het is misschien nog wel belangrijker dat de vermogenseisen, de ontwerpgrootte en het aantal onderdelen die nodig zijn om beide ontwerptypes te kunnen implementeren en hun resultaten te kunnen synchroniseren, een belemmering kunnen zijn voor mobiele producten die op batterijen werken. Om die problemen aan te pakken, biedt de MAX86150-biosensormodule van Maxim Integrated een bijna gebruiksklare oplossing om PPG- en ECG-mogelijkheden toe te voegen aan alle systemen met beperkt vermogen.

Biosensormodule

De MAX86150-module is speciaal ontworpen voor draagbare systemen en combineert subsystemen voor zowel PPG als ECG met dubbele led in één apparaat van 3,3 x 6,6 x 1,3 mm. Voor optische metingen combineert de MAX86150 complete optische ingangs/uitgangssignaalpaden met een rode led, IR-led en fotodiode achter een glazen deksel dat is ingebouwd in het pakket (Afbeelding 2).

Schema van het Maxim MAX86150 PPG-subsysteem

Afbeelding 2: Het MAX86150 PPG-subsysteem biedt op optica gebaseerde fitnessmetingen door alle vereiste componenten te integreren, inclusief signaalpaden voor led-uitgang en fotodiode-ingang. Bovendien zitten de rode led, de infrarode led en de fotodiode allemaal achter een glazen deksel. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Voor het PPG-signaalpad heeft de module ambient light cancellation-circuits (ALC), een 19-bits continu-oversampling delta-sigma (ΔΣ) analoog-naar-digitaal converter (ADC) en een discrete-tijdfilter om de ruis nog verder te verminderen. Binnen de ALC helpt een digitaal-naar-analoog converter (DAC) het dynamische ingangsbereik te versterken door het omgevingslicht op te heffen. Om ontwerpers te helpen energieverbruik en prestaties in balans te houden, kunnen de geïntegreerde led-drivers van het apparaat worden geprogrammeerd om stroom te leveren van 0 milliampère (mA) tot 100 mA en stroompulsbreedten van 50 microseconden (μs) tot 400 μs.

Voor verdere energiebesparing kunnen ontwikkelaars een nabijheidsfunctie inschakelen waarmee het apparaat in een laag-vermogenstaat kan blijven tussen de metingen in. In die staat drijft het apparaat de IR-led aan op een minimaal energieniveau dat is geprogrammeerd door de ontwikkelaar. Wanneer de fotodiode een nuttig signaal detecteert, dat de nadering van de vinger van de gebruiker of ander huidoppervlak signaleert, wordt er een interrupt gegenereerd en keert het apparaat terug in de normale bedrijfsstatus om de bemonstering voort te zetten.

Voor ECG-metingen heeft de MAX86150 een compleet differentieel signaalpad waar alleen twee droge elektroden en een paar extra componenten voor nodig zijn om een eenkanaals-ECG te implementeren (Afbeelding 3). Zoals bij alle kleinsignaaltoepassingen wordt de nauwkeurigheid van de metingen voortdurend bemoeilijkt door alle eventuele bronnen van ruis in de omgeving. In fitnesstoepassingen worden de hartgolven die van belang zijn niet alleen beïnvloed door de biopotentialen van spierbewegingen en andere fysiologische processen, maar kunnen ze vaak ook worden overstemd door interferentie van externe RF-bronnen, netfrequentie en elektrische ruis.

Het MAX86150 ECG-subsysteem rekent af met signaalruis in ECG-metingen met een geraffineerde signaalketen die is ontworpen om common-mode signalen af te wijzen.

Schema van de Maxim MAX86150-module bevat een volledig eenkanaals ECG-subsysteem

Afbeelding 3: Naast het PPG-subsysteem bevat de MAX86150-module ook een compleet eenkanaals ECG-subsysteem dat alleen een paar droge elektrodes en een minimaal aantal extra componenten nodig heeft om ECG-meetgegevens door te geven aan een microcontroller. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

De geïntegreerde ECG front-end van het apparaat bevat een chopperversterker, filter en programmeerbare versterker (PGA, programmable gain amplifier), ontworpen om de signaal/ruisverhouding van hartgolven te maximaliseren. Na deze signaalketen converteert een 18-bit ΔΣ ADC ieder monster en stuurt alle resultaten door naar de gedeelde 32-sample-FIFO van het apparaat, zodat er minder behoefte is aan voortdurende gegevenspeiling door een host-microcontroller.

Om het verbruik nog verder omlaag te brengen en de toegangseisen van de gegevens te beperken, kunnen ontwikkelaars de sampling-snelheid van zowel het ECG- als het PPG-subsysteem aanpassen van de maximale 3200 samples per seconde (sps) tot 200 sps voor ECG en 10 sps voor PPG. Toch kunnen ze het apparaat gebruiken in geraffineerde toepassingen waarvoor gelijktijdige ECG- en PPG/SpO2-sampling en synchronisatie van de resultaten nodig is. Als ze deze benadering moeten toepassen met de verschillende minimum-samplingsnelheden van de twee subsystemen, laadt het apparaat gewoonweg het laatste PPG-sample in de FIFO om nieuwe PPG-gegevens te leveren aan de volgende sampling-cyclus van dat subsysteem.

Ontwerpimplementatie

Omdat de MAX86150 hardware-interface de kernfunctionaliteit bevat die nodig is voor ECG- en PPG-metingen, kan hij worden voltooid met slechts een paar droge elektrodes, zoals eerder vermeld, samen met een paar extra componenten voor ontkoppelen en bufferen. Daarom kunnen ontwikkelaars een microcontroller combineren met de MAX86150 en zijn minimale hoeveelheid extra externe componenten om een geraffineerd biopotentiaalmeetsysteem te implementeren (Afbeelding 4). Ontwikkelaars kunnen die hardware-ontwerpstap zelfs overslaan door het MAX86150EVSYS-evaluatiesysteem van Maxim Integrated te gebruiken om snel te beginnen met het verkennen van ECG/PPG-toepassingen.

Schema van MAX86150 van Maxim Integrated (klik om te vergroten)

Afbeelding 4: Ontwikkelaars kunnen de MAX86150 van Maxim Integrated combineren met een host-microcontroller en slechts enkele extra componenten om geavanceerde hartprestatiemetingen te implementeren in een mobiel fitnessproduct. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Het MAX86150EVSYS evaluatiesysteem werkt als onmiddellijk toepassingsplatform maar ook als referentieontwerp en bevat een MAX86150 bord, een MAX32630FTHR bord en een lithium-polymeerbatterij van 500 milliampère-uur (mAh) (Afbeelding 5). Samen met de MAX86150 levert het MAX86150-bord de eerder genoemde twee roestvrijstalen droge elektrodes en extra componenten.

Het MAX32630FTHR-bord is verbonden via stiftlijsten en biedt een compleet Bluetooth-systeem dat rondom de MAX32630-microcontroller van Maxim Integrated is gebouwd en verzorgt bovendien het opladen en vermogensbeheer voor het bijgeleverde battery pack.

Afbeelding van het MAX86150EVSYS-evaluatiesysteem van Maxim Integrated

Afbeelding 5: Ontwikkelaars kunnen snel beginnen met de evaluatie van methoden voor hartslagmeting met het MAX86150EVSYS-evaluatiesysteem van Maxim Integrated, dat een MAX86150-bord (linkerkant) compleet met droge elektrodes heeft, een op MAX32630 gebaseerd MAX32630FTHR-ontwikkelingsbord en een battery pack. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Het evaluatiesysteem wordt kant-en-klaar met firmware geladen geleverd op het MAX32630FTHR-bord voor een basis MAX86150-toepassing, zodat ontwikkelaars onmiddellijk kunnen beginnen met het verkennen van ECG- en PPG-metingen. De ontwikkelaars verbinden de bordset gewoonweg via Bluetooth met een pc-systeem met Windows en starten de software van de evaluatiekit met de op Windows gebaseerde grafische gebruikersinterface van Maxim Integrated voor de MAX86150EVSYS-kit Dit GUI-pakket geeft ECG- en PPG-gegevens weer van de MAX86150 en laat de ontwikkelaars eenvoudig apparaatinstellingen wijzigen om het effect op de prestaties te onderzoeken (Afbeelding 6).

Afbeelding van de softwaretoepassing van het MAX86150EVSYS-evaluatiesysteem van Maxim Integrated (klik om te vergroten)

Afbeelding 6: De softwaretoepassing die bij het MAX86150EVSYS-evaluatiesysteem van Maxim Integrated hoort, zorgt ervoor dat ontwikkelaars eenvoudig de ECG- en PPG-metingen die zijn uitgevoerd door de MAX86150 kunnen onderzoeken. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Voor ontwikkelaars die klaar zijn om aangepaste toepassingen te bouwen, geeft het MAX86150-driverpakket van Maxim Integrated broncode voor kernfunctionaliteit voor de apparaten. Het driverpakket demonstreert onder andere een benadering om te werken met de FIFO van het apparaat om het energieverbruik te beperken door de tijd dat de hostprocessor actief moet blijven te verminderen. In het hart van deze benadering vertrouwt de software op enkele interrupt-handlers die reageren op apparaatgebeurtenissen en dan actie ondernemen wanneer er gegevens-samples beschikbaar zijn.

De benadering op basis van interrupts start met de initialisatieroutine. Die registreert een interrupt request handler (IRQ) van het apparaat, max86xxx_irq_handler (). Als er een interrupt optreedt, controleert deze handler op beschikbare apparaatgegevens, roept indien nodig een aparte FIFO-handler op (max86xxx_fifo_irq_handler()) en voert belangrijke housekeeping-functies uit, zoals het controleren van de interne temperatuur en het VDD-niveau (Lijst 1).

Copy 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; } 

Lijst 1: Dit fragment code van het MAX86150 driverpakket van Maxim Integrated laat zien hoe een IRQ-handler van een apparaat de verwerking kan beperken door alleen een aparte FIFO-handler op te roepen als er samples beschikbaar zijn of als er een gebeurtenis zoals een naderings-interrupt optreedt. (Bron code: Maxim Integrated)

Wanneer de FIFO-handler wordt opgeroepen door de IRQ-handler van het apparaat, voert deze de low-level handelingen uit die nodig zijn voor het bij elkaar brengen van de sensorwaarden die door de 86150 zijn opgeslagen in de FIFO-buffer. Hier doorloopt deze handler beschikbare samples in de FIFO-buffer en brengt de drie bytes die worden gebruikt voor het opslaan van gegevens van de 18-bits ADC van het ECG-kanaal en de 19-bits ADC van het PPG-kanaal bij elkaar (Lijst 2).

Copy 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; . . . 

Lijst 2: Dit fragment van het MAX86150-driverpakket van Maxim Integrated toont het gebruik van een FIFO-handler om gesamplede gegevens van de MAX86150 FIFO te extraheren, waar ieder sample wordt opgeslagen in een drie-byteformaat. (Bron code: Maxim Integrated)

Conclusie

Samen met op PPG gebaseerde hartslagmeting, is eenkanaals ECG-functionaliteit steeds populairder geworden in smartwatches, fitnessarmbanden en andere mobiele apparaten. Een praktische, nauwkeurige, energiezuinige implementatie van zowel PPG als ECG in dat soort draagbare apparaten is echter moeilijk gebleken.

Met zijn geïntegreerde PPG- en ECG-subsystemen, biedt de 86150-biopotentiaal-sensormodule van Maxim Integrated een effectieve oplossing. In combinatie met een MCU laat de 86150-module ontwikkelaars snel mobiele gezondheids- en fitnessproducten implementeren die gedetailleerde hartprestatiegegevens kunnen leveren.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk heeft meer dan 20 jaar ervaring in het schrijven voor en over de elektronicasector met betrekking tot heel wat onderwerpen, waaronder hardware, software, systemen en toepassingen zoals het IoT. Hij behaalde zijn filosofiediplomain neurowetenschappen over neuronale netwerken en werkte in de ruimtevaartsector op massaal verspreide veilige systemen en algoritmeversnellingsmethoden. Wanneer hij geen artikels over technologie en techniek schrijft, werkt hij aan toepassingen voor “deep learning” voor herkennings- en aanbevelingssystemen.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key