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 2 .

Das Sensordesign richtig auslegen

Wie bei allen Sensoren ist eine der wichtigsten Überlegungen für das Design des optischen Sensors für Puls- und Blutsauerstoffmessungen die Signalqualität. Das gesamte Detektorsi­gnal setzt sich aus einem großen konstanten DC-Anteil und einem kleinen variablen AC-Anteil – entsprechend dem pulsierenden arteriellen Blut – zusammen (Bild 2). Eine Messung mit 530 nm Wellenlänge und 8 mA LED-Strom am Handgelenk eines hellhäutigen Menschen ergibt zum Beispiel ein AC/DC-Verhältnis von etwa 0,00035 [2]. Für dunkelhäutige Personen sinkt dieser Wert weiter ab, am Finger ergeben sich etwa zehnfach höhere Werte. Der äußerst kleine Anteil des AC-Signals am Gesamtsignal ist eine Herausforderung für die Digitalisierung, besonders wenn Blutsauerstoff gemessen werden soll.

In diesem Fall muss das gesamte Signal so digitalisiert werden, dass die AC-Komponente und ihre Minima und Maxima (Imin bzw. Imax) sehr gut aufgelöst sind. In der Praxis bedeutet das, dass das Gesamtsignal mit mindestens 16 bit aufgelöst werden muss [2]. Beschränkt man sich auf die Ermittlung der Herzfrequenz, ist lediglich die Periodizität des Signals von Interesse, nicht aber die absolute Signalhöhe. In dem Fall lässt sich der konstante Anteil mit einem Bandpassfilter unterdrücken und die verbleibende AC-Komponente für den AC/DC-Konverter verstärken. Wichtig für eine gute Auflösung der Minima und Maxima des Photostroms sind außerdem eng getaktete Messungen. Typische Sampling-Raten liegen zwischen 25 und 500 Hz pro Kanal mit LED-Pulslängen von 0,5 ms bis zu 5 µs.

Ein weiterer Einflussfaktor ist das Umgebungslicht. Es kann selbst dann auf den Empfänger gelangen, wenn der Sensor dicht an der Haut sitzt, denn infrarotes Licht dringt tief in die Haut ein und wird dort gestreut. Umgebungslicht verschlechtert das Signal-Rausch-Verhältnis und sollte so weit wie möglich unterdrückt werden, beispielsweise durch einen guten Kontakt zwischen Sensor und Körper oder durch spezielle Umgebungslichtfilter auf dem Detektor. Solche Filter verschieben das Empfindlichkeitsmaximum des Detektors vom infraroten in den sichtbaren Bereich, für die Photodiode SFH 2430 zum Beispiel auf 570 nm. Sie eignen sich deshalb besonders für den Einsatz mit grünen LEDs. Eine übliche Methode zur Eliminierung von Umgebungslichteffekten im Detektorsignal ist es, sowohl mit als auch ohne LED zu messen und die Differenz beider Signale zu bilden. Chipsätze wie der AFE 4403 von Texas Instruments geben für diesen Zweck ein entsprechendes Dunkelsignal mit aus.

Literatur

[1] J.G. Webster: Design of Pulse Oximeters, Series in Medical Physics and Biomedical Engineering, Taylor & Francis, New Yourk, USA, 1997

[2] Applikationsschrift: SFH 7050 - Photoplethysmography Sensor, Osram Opto Semiconductors, 2014


Die Autoren

Dr. Jörg Heerlein leitet das Produktmarketing für Infrarotbauelemente im Bereich Industrie und Distribution bei der Firma Osram Opto Semiconductors in Regensburg.

Dr. Tilman Rügheimer ist Produktmanager für Biomonitoring-Sensoren bei Osram Opto Semiconductors in Regensburg.

Seite 3 von 3

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

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Wearables von Garmin individualisieren
Infrarot-LED von Osram erreicht 48 % Effizienz
Sensorbasierte Farbregelung von LEDs via Smartphone
Farbsensor regelt Helligkeit und Farbe von LEDs

Verwandte Artikel

Osram GmbH, OSRAM GmbH MUC, OSRAM Opto Semiconductors GmbH