Schwerpunkte

Wearable-Medizintechnik

Lichtsensoren für die Selbstvermessung

08. Oktober 2014, 14:49 Uhr   |  Dr. Jörg Heerlein und Dr. Tilman Rügheimer


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Die Komponenten passend auswählen

Der Sensor SFH 7050 von Osram Opto Semiconductors
© Osram Opto Semiconductor

Bild 4: Der Sensor SFH 7050 ist für PPG- und Pulsoxymetrie-Anwendungen in Wearables und Smartphones ausgelegt.

Ein optischer Sensor zur Puls- und Blutsauerstoffmessung besteht aus einer oder mehreren LEDs, einem Detektor, einer LED-Ansteuerung sowie einem A/D-Umsetzer für das Detektorsignal. Für den Einsatz in Wearables oder in Smartphones gelten generell die Forderungen nach möglichst niedrigem Energiebedarf und geringer Bauteilgröße. Bei der Auswahl der LEDs muss neben der Effizienz vor allem das Emissionsspek­trum beachtet werden [2]. Die Lichtabsorption von Blut ändert sich sehr stark in Abhängigkeit von der Wellenlänge (Bild 3), so dass konsistente Ergebnisse nur mit sehr schmalbandig abstrahlenden LEDs erzielt werden können. Diese Anforderung war in der Vergangenheit eine der Hürden für das Übertragen der Photoplethysmographie aus der Medizintechnik auf Endverbraucheranwendungen, denn effiziente LEDs zeigten meist ein relativ breites Emissionsspektrum. Erst die Entwicklung der Dünnfilm-Chiptechnik ermöglichte hocheffiziente LEDs mit engen spektralen Bandbreiten von etwa 30 nm. Diese Technik sorgt zudem für eine hohe Systemeffizienz, weil Dünnfilm-LEDs fast das gesamte Licht nach oben abstrahlen, so dass es nahezu komplett für die Anwendung verwertet wird.

Das Design muss außerdem sicherstellen, dass die Wellenlänge während einer einzelnen Messung trotz der Erwärmung des Chips stabil bleibt. Neben einer hohen Temperaturstabilität der LED sind kurze Pulse ein gutes Mittel, um die Wellenlänge konstant zu halten. Gut geeignet sind zum Beispiel Pulslängen von weniger als 0,3 ms mit einer Wiederholrate von etwa 2 ms. Die Wahl der Wellenlänge hängt von der geplanten Messung ab. Für Sensoren am Handgelenk bieten sich grüne LEDs mit etwa 530 nm an, am Finger wird üblicherweise mit Rot (660 nm) oder Infrarot (940 nm) gemessen. Die LEDs sind in verschiedenen diskreten Bauformen verfügbar und bedienen so unterschiedliche Designs und Anwendungen. Bei Pulssensoren genügt die Messung mit einer Wellenlänge, zur Bestimmung der Blutsauerstoffsättigung misst man abwechselnd mit rotem und infrarotem Licht.

Maßgeblich für den Detektor sind eine hohe Linearität, sehr gute Empfindlichkeit und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis. Die Linearität ist besonders wichtig für die Blutsauerstoffmessung, weil hierfür die absoluten Photostromwerte Imin und Imax sehr genau ermittelt werden müssen. Es bieten sich großflächige Photodioden mit niedrigem Dunkelstrom an, beispielsweise das Bauteil SFH 2400 oder die Variante mit Umgebungslichtfilter SFH 2430, beide von von Osram Opto Semiconductors. Photodioden haben zudem schnelle Schaltzeiten und können so die geforderten kurzen LED-Pulse auflösen.

Eine besonders kompakte Lösung bieten integrierte Sensoren wie der SFH 7050. Der in Bild 4 abgebildete Multichip-Sensor enthält drei LEDs sowie eine Photodiode und ist speziell für Puls- und Blutsauerstoffmessungen in Wea­ra­bles und Smart­phones ausgelegt. Hocheffiziente LEDs in Dünnfilm-Technik mit engen Emissionsbandbreiten in den Farben Grün (530 nm), Rot (660 nm) und Infrarot (940 nm) erlauben die Pulsmessung am Handgelenk oder die Puls- und Blutsauerstoffmessung am Finger. Eine integrierte Lichtsperre verhindert optisches Übersprechen von den LEDs auf die Photodiode. Je nach Anwendung können die LEDs einzeln betrieben oder im Wechsel angesteuert werden.

Die infrarote LED im SFH 7050 kann in Kombination mit dem Empfänger auch als Näherungssensor dienen, um die Messung automatisch zu starten oder zu stoppen, sobald der Sensor die Haut berührt bzw. entfernt wird. Für die Ansteuerung der LED und die Digitalisierung des Detektorsignals sind Chipsätze für PPG- und Pulsoxymetrie-Messungen in Medizintechnik-Anwendungen erhältlich. Durch eine sehr gute Digitalisierungsauflösung von 22 bit zeichnet sich zum Beispiel der AFE 4403 von Texas Instruments aus.

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1. Lichtsensoren für die Selbstvermessung
2. Die Komponenten passend auswählen
3. Das Sensordesign richtig auslegen

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