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Wearables und Medizintechnik

Elektronik zum Erfassen von Vitalparametern

22. März 2021, 06:00 Uhr   |  Von Klaus Dembowski

Elektronik zum Erfassen von Vitalparametern
© metamorworks | Shutterstock

Der stark gestiegene Integrationsgrad bei Sensorschaltungen zum Erfassen von Vitalparametern ist für Entwickler einerseits von Vorteil. Andererseits muss er sich streng an die Vorgaben der IC-Hersteller halten – und nicht immer wird informiert, wie die Vitalparameter gemessen werden.

Die Medizinelektronik hat in den vergangenen Jahren enorme Fortschritte gemacht, was sich in einem immer höheren Integrationsgrad von Funktionsblöcken, einer stark gesunkenen Stromaufnahme sowie der Möglichkeit der Funkkommunikation zwischen dem Erfassungs- und einem Datenendgerät, wie etwa einem Smartphone, zeigt.

Zur Überwachung der körperlichen Aktivität reicht im Prinzip ein Beschleunigungssensor aus, der mithilfe eines Mikrocontrollers die gemessenen Daten interpretiert und auf einem integrierten Display des Gerätes darstellt, beispielsweise wie bei den einfachen Fitness-Trackern.

Die leistungsfähigeren Wearables wie Fitness- und Sportarmbänder verfügen zusätzlich über ein Funkinterface, das meist dem Bluetooth-Low-Energy-Standard (BLE) entspricht, um die Daten an einen Host, wie PC, Tablet-PC oder Smartphone, zu senden. Die Daten können auch per Mobilfunk, wie es etwa bei den Smartwatches von Apple der Fall ist, über eine Internetverbindung in eine Cloud zur Weiterverarbeitung übertragen werden.

Handelsübliches Pulsoximeter im Einsatz
© Medisana

Bild 1. Messung des Pulses und des Sauerstoffgehaltes im Blut mit einem handelsüblichen Pulsoximeter.

In Kombination mit weiteren Vitalparametern wie der Temperatur und der Feuchtigkeit der Haut sowie der Herzfrequenz lassen sich unter Zuhilfenahme der persönlichen Daten aus einer Datenbank, die meist beim Gerätehersteller lokalisiert ist, mehr oder weniger zuverlässige Daten über die körperliche Befindlichkeit gewinnen.

Für medizinische Betrachtungen reichen diese Daten jedoch nicht aus. Denn dafür sind verlässliche bioelek­trische Messungen notwendig, was mit den üblichen Wearables für Fitness und Sport, allein aufgrund der unzureichenden Kontaktierung am Körper, nicht möglich ist. Gleichwohl lassen sich bestimmte ICs der Hersteller von Medizinelektronik im weiteren Sinne durchaus für Messungen einsetzen, die medizinischen Ansprüchen genügen, was nachfolgend gezeigt wird.

Medizinische Messverfahren im Überblick

Die wichtigsten Verfahren, die sich mit aktueller Elektronik der bekannten Halbleiterhersteller wie Analog Devices, AMS, Texas Instruments und Maxim Integrated umsetzen lassen sind:

  • Photoplethysmographie (PPG): Op­­tische Detektierung des Pulsschlages.
  • Pulsoximetrie: Ermittlung der Sauerstoffsättigung im Blut mithilfe verschiedener LEDs und eines Fotoelements.
  • Elektrokardiogramm (EKG): Diagnoseverfahren zur Erkennung der Herzaktivität in den verschiedenen Aktionsphasen mithilfe von Elektroden.
  • Blutdruckmessung: Messung von Druckwerten beim Herzschlag, wofür meist eine Messmanschette eingesetzt wird. Der erste Druckwert ist der, wenn Blut in die Gefäße gepumpt wird (systolisch), und der zweite repräsentiert den Druck auf die Gefäße (diatolisch).

Auf die für diese Messungen geeigneten ICs der vier genannten Halbleiterhersteller wird in weiteren Ausgaben der Elektronik noch eingegangen.

Photoplethysmographie

Die Photoplethysmographie (PPG) ist allgemein ein optisches Messverfahren zur Erfassung von Volumenänderungen. Hierfür werden typischerweise eine Lichtquelle (LED) und ein fotosensitiver Detektor (Fotodiode) eingesetzt, die das zu messende Körperteil umfassen. Das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht wird im Gewebe durch Streuung, Reflexion und Absorption beeinflusst, was die Intensität des empfangenen Signals moduliert, sodass sich eine Volumenänderung detektieren lässt, etwa aufgrund eines Pulsschlages.

Das Signal des Fotodetektors (Photoplethysmographie) enthält die Pulsfrequen
© Dembowski

Bild 2. Das Signal des Fotodetektors (Photoplethysmographie) enthält die Pulsfrequenz.

Die häufigste Anwendung der Photoplethysmographie ist die Erfassung des Pulses an einem Finger, was aber auch an anderen Körperstellen wie Ohrläppchen, Stirn oder Fuß möglich ist. Die Messung an einem Finger ist demgegenüber relativ einfach möglich, wozu er in einen Fingerclip (Bild 1) des Messgerätes eingeführt wird. Das Messergebnis (Bild 2) entspricht einem Signal, dessen Grundfrequenz dem Puls und somit dem Herzschlag entspricht, was als BPM (Beats per Minute) angegeben wird.

Pulsoximetrie

Neben dem Puls wird von den üblichen PPG-Messgeräten der Sauerstoffgehalt im Blut nach dem Verfahren der Pulsoximetrie [1] gemessen, wofür mindestens zwei Lichtquellen mit unterschiedlichen Spektren (Spektrophotometrie) eingesetzt werden. Üblicherweise sind dies zwei Leuchtdioden mit Rotlicht bei ungefähr 660 nm und Infrarotlicht bei ungefähr 940 nm. Ein Fotodetektor, der diesen LEDs gegenüber auf der anderen Seite des arteriellen Gefäßbetts platziert ist, misst die Intensität des durchscheinenden Lichts (Bild 2).

Das unterschiedliche Absorptionsspektrum von gesamtem und dem mit Sauerstoff gesättigtem Hämoglobin (HbO2) wird für das Verfahren der Pulsoximetrie genutzt
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Bild 3. Das unterschiedliche Absorptionsspektrum von gesamtem und dem mit Sauerstoff gesättigtem Hämoglobin (HbO2) wird für das Verfahren der Pulsoximetrie genutzt.

Die unterschiedlichen Lichtintensitäten, die auf den Fotodetektor treffen, werden durch unterschiedliche Lichtabsorptionen beeinflusst (Bild 3). Diese ergeben sich aus dem mit Sauerstoff gesättigten (oxigeniert, HbO2) und dem gesamten Hämoglobin (Protein der roten Blutkörperchen, Hb, das fähig ist Sauerstoff zu binden – desoxigeniert).

Die arterielle Sauerstoffsättigung (SaO2) im Blut ergibt sich aus den Konzentrationen der beiden Hämoglobinkonzentrationen (C) über die einfache Formel:

S subscript a O subscript 2 space equals space C subscript H b O 2 end subscript space divided by space left parenthesis C subscript H b O 2 end subscript space plus space C subscript H b end subscript right parenthesis

Eines der ersten integrierten Schaltungen für die Pulsoximetrie (Integrated Analog Front-End for Pulse Oximeters) ist der AFE4490 von Texas Instruments, der bereits seit über sieben Jahren auf dem Markt ist. Der AFE4490 enthält die Elektronik für die anzuschließenden LEDs und für die Fotodiode, mit nachgeschaltetem Transimpedanzverstärker für die Verstärkung des Fotostromes und Differenzverstärker.

Der AFE4490 von Texas Instruments ist gewissermaßen der Urvater der integrierten Schaltungen für den Aufbau von Geräten für die Pulsoximetrie
© Bild von Dembowski nach Unterlagen Texas Instruments

Bild 4. Der AFE4490 von Texas Instruments ist gewissermaßen der Urvater der integrierten Schaltungen für den Aufbau von Geräten für die Pulsoximetrie.

Der ebenfalls integrierte Analog-Digital-Umsetzer arbeitet nach dem Prinzip eines Delta-Sigma-Modulators mit einer Auflösung von 22 bit und liefert die Daten an ein digitales Filter. Als Ausgang dient eine SPI-Schnittstelle. Neben den maximal zwei LEDs und der Fotodiode sind an den AFE4490 extern nur noch ein Quarz (8 MHz) sowie acht Kondensatoren anzuschließen (Bild 4).

Mithilfe des Fingerclips wird eine relativ stabile Messposition am Finger sowie eine gewisse Abschirmung von störendem Umgebungslicht erreicht. Bei Systemen (Wearables), die nicht mit einem Fingerclip, sondern mit einer optischen Auflagefläche für den Finger arbeiten, unter der sich die optischen Komponenten befinden, wird nicht das durchstrahlende Licht (Transmission), sondern das reflektierte gemessen, was erhöhte Anforderungen zur Erlangung einer ausreichenden Qualität des PPG-Signals (Bild 2) erfordert. Hierfür wird oftmals eine dritte Leuchtdiode mit Grünlicht (527 nm) für die Erkennung des Umgebungslichts eingesetzt, was als Ambient Light Rejektion bezeichnet wird. In der Firmware wird versucht, die auftretenden Störungen und Artefakte aus dem Signal zu entfernen, worauf noch näher eingegangen werden wird.

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1. Elektronik zum Erfassen von Vitalparametern
2. Elektrokardiogramm
3. Blutdruckmessung
4. Übersicht der Bilder

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