Zhang Feng en Marten Smith werken beiden bij de Medical Products Group van Microchip.

14 October 2016

Pieter Edelman

Steeds vaker beschikt een consumentenproduct over de mogelijkheid om hartslag en zuurstofgehalte te meten. Zhang Feng en Marten Smith van Microchip leggen uit hoe de elektronica hiervoor in elkaar steekt.

Devices die tot nog toe voornamelijk werden gebruikt in het ziekenhuis worden steeds vaker ook ingezet voor medische toepassingen thuis en zelfs voor sportdoeleinden. Zo komen er steeds meer consumentenproducten die hartslag en zuurstofgehalte in het bloed kunnen meten, als zelfstandige medische apparaten voor thuisgebruik, of verwerkt in een wearable om de pols.

De achterliggende techniek hiervoor is pulsoximetrie. Oximetrie is de bepaling van de zuurstofverzadiging van het bloed, doorgaans uitgedrukt als percentage. De geschiedenis van oximeters gaat terug tot 1935, toen de Duitse arts Karl Matthes de eerste zuurstofverzadigingsmeter voor het oor maakte met het principe dat vandaag de dag nog steeds in zwang is. Begin jaren veertig ontwikkelde de Amerikaanse arts Glenn Allan Millikan de eerste draagbare pulsoximeter: een instrument dat naast de verzadiging ook de hartslag meet.

De zuurstofverzadiging wordt bepaald aan de hand van het hemoglobine, de stof in rode bloedcellen die zuurstof bindt en bloed zijn rode kleur geeft. Hemoglobine kent twee vormen: gebonden aan zuurstof ofwel geoxideerd, weergegeven als HbO2, en ongebonden of gereduceerd, weergegeven als Hb. De verzadiging is het hemoglobinepercentage dat gebonden is. Normaal is dit 97 procent of meer.

Een interessante eigenschap van hemoglobine is de manier waarop het licht absorbeert en reflecteert. Hb absorbeert bijvoorbeeld meer (en reflecteert minder) zichtbaar rood licht dan HbO2, terwijl voor infrarood licht het omgekeerde geldt. Door een lichaamsdeel met zowel een rode als een infrarode led te beschijnen en te meten hoeveel er van beide kleuren wordt geabsorbeerd, kan dus de hoeveelheid van beide vormen worden vastgesteld.

Dit kan op twee manieren (Figuur 1). Bij transmissieve oximetrie wordt bepaald hoeveel licht een lichaamsdeel zoals vinger of oorlel doorlaat. Deze methode wordt doorgaans in ziekenhuizen toegepast en in de meeste systemen om patiënten te monitoren, is een transmissieve pulsoximeter een standaard onderdeel. Bij reflectieve oximetrie wordt de hoeveelheid gereflecteerd licht gemeten. Moderne high-end fitness-wearables gebruiken deze vorm.

Pulsoximeters bepalen ook het hartritme. Tijdens elke hartslag wordt het bloed in de haarvaatjes geperst, waardoor hun volume een klein beetje toeneemt. Tussen de hartslagen in neemt hun volume weer iets af. Deze volumeverandering beïnvloedt de hoeveelheid rood en infrarood licht dat wordt geabsorbeerd. Deze fluctuatie is weliswaar klein maar kan zonder verdere aanpassingen worden gemeten.

Microchip Figuur 1
Figuur 1: Pulsoximeters kunnen zowel transmissief als reflectief werken.

Omgevingslicht

Betrouwbare pulsoximeters zijn relatief eenvoudig te maken met analoge componenten en een digital signal controller (dsc), een microcontroller met ingebouwde dsp-extensies. Hieronder volgt een voorbeeld van hoe een pulsoximetercircuit kan worden opgebouwd (zie Figuur 2).

Typisch bevat een pulsoximeter een rode led die een golflengte tussen 600 en 750 nanometer uitzendt, en een infrarode led met een golflengte tussen de 850 en 1000 nanometer. De intensiteit van doorgelaten of gereflecteerd licht wordt bepaald met een fotodiode. In ons voorbeeld gaan we uit van de transmissieve variant.

Microchip Figuur 2
Figuur 2: Voorbeeldopbouw van een pulsoximetercircuit

De leds worden om de beurt aangezet zodat de fotodiode beide signalen apart kan bemonsteren. Daarna wordt steeds een referentiemeting gedaan waarbij de leds allebei uit staan. Om voldoende tijd te hebben voor het verwerken van de meting voordat de volgende led aan gaat, wordt het tijddiagram in Figuur 3 gehanteerd.

Om de output van de fotodiode om te zetten in de mate van absorptie wordt die eerst geïnverteerd met een opamp. Vervolgens halen we het signaal door een analoog conditioneringscircuit met twee stadia. Het eerste stadium is de transimpedance amplifier, die de stroom van een paar microampère van de fotodiode omzet in een spanning van enkele millivolt. Dit signaal wordt vervolgens door een hoog-doorlaatfilter geleid om de interferentie met het omgevingslicht te reduceren. Het tweede stadium is bedoeld om het signaal zodanig te versterken en te verschuiven dat het netjes in de inputreeks van de adc in de microcontroller valt.

Microchip Figuur 3
Figuur 3: Door de pulsen juist te timen, kan het systeem beide lichtfrequenties bemonsteren en nog een referentiemeting doen.

Het systeem is zo ontworpen dat er steeds een adc-meting wordt gedaan voor beide lichtgolflengtes gevolgd door een meting zonder dat de leds aan staan. Dankzij de dsp-extensies kunnen de signalen ook digitaal worden gefilterd om de uitdagingen met lichtmetingen door organisch weefsel het hoofd te bieden. In ons voorbeeld passen we een 513de-orde, digitaal-fir-doorlaatfilter toe. In Figuur 4 is te zien hoe dit wordt gebruikt om de pulsamplitude te berekenen.

Microchip Figuur 4
Figuur 4: Met een digitaal filter kunnen storingen die optreden bij een lichtmeting door organisch weefsel worden gecompenseerd. De rode lijn geeft het inputsignaal weer, de groene lijn het resultaat.
Microchip Figuur 5
Figuur 5: Voor elke pulsoximeter moet een kalibratiecurve worden bepaald die de verhouding tussen beide soorten doorgelaten licht koppelt aan een verzadigingsniveau.

Met het digitale signaal kan uiteindelijk de verhouding worden berekend en de verzadiging worden bepaald. Dit gaat aan de hand van een referentietabel voor de verhouding tussen het rood- en infraroodsignaal. Dit soort tabellen vormt een essentieel onderdeel van elke pulsoximeter en moet aan de hand van een groot aantal referentiemetingen worden opgesteld voor elk type instrument (zie Figuur 5).

Wearables en medische consumentenapparaten groeien snel in populariteit. De komende jaren zal de vraag dan ook toenemen naar devices die zuurstofverzadiging en hartslag kunnen meten. Bovenstaand referentieontwerp kan helpen om sneller naar de markt te komen.

Edited by Pieter Edelman