Lichtsensorik
LED misst Puls
Die Herzfrequenz sagt recht viel über die Gesundheit einer Person aus, darüber hinaus lässt sie sich vergleichsweise einfach bestimmen. Anbieter von Medizin- und Fitnesselektronik haben deshalb allerlei Ansätze für mobile Messinstrumente entwickelt.
Die herkömmliche Methode zur Überwachung der Herzfrequenz ist die Messung der elektrischen Impulse, die bei jedem Pulsdruck im Herz erzeugt werden (Elektrokardiogramm, EKG). Ein tragbares EKG-Gerät wird an einem Brustgurt getragen, so dass es genau auf dem Herz liegt. Es kann seine Messergebnisse drahtlos an einen Host-Computer übermitteln. Leider ist der Brustgut bei längerem Tragen unbequem. Er erfüllt seinen Zweck in medizinischen Einrichtungen und beim Training, stellt jedoch für den Dauergebrauch keine praktikable Lösung dar. Nutzer, die ihre Herzfrequenz als Bestandteil zur Überwachung ihrer Gesundheit und ihres Lebensstils messen möchten, benötigen etwas Tragbares wie ein Armband oder eine Smartwatch.Das EKG-Gerät ist für die Verwendung in einem Armband offensichtlich ungeeignet. Die Alternative Photoplethysmographie (PPG) wird von Fachärzten bereits weithin zur Herzfrequenzmessung und in der Pulsoximetrie eingesetzt. Die optische Messmethode PPG misst die Veränderungen der Blutmenge, die im Subkutangewebe die Arterien und Arteriolen ausweitet.
Krankenhäuser verwenden üblicherweise einen Fingerclip, den der Patient über die Fingerspitze schiebt. Das Gerät sendet einen Lichtstrahl in die Haut (von einer LED auf der einen Seite des Gerätes aus) und misst die Veränderungen der Lichtübertragung durch das Gewebe des Fingers (per Photodiode auf der anderen Seite des Geräts). Die am Fotosensor wahrgenommene Lichtmenge fällt kurzzeitig stark bei jedem Impuls, da das gestiegene Blutvolumen mehr Licht aufnimmt. Das Signal, das die Photodiode abgibt, ist eine Kurve, die einem Sägezahn gleicht (Bild 1), dessen Grundfrequenz dem Herzschlag entspricht.
Zu medizinischen Zwecken ist die PPG im Übertragungsmodus die bevorzugte Methode. Doch dieser Modus schränkt den mechanischen Aufbau des Geräts ein, denn ein Teil des Körpers muss bedeckt sein, in der Praxis ist dies ein Finger oder ein Ohrläppchen. Den Clip dort mehr als ein paar Minuten zu tragen ist unbequem. Erfreulicherweise arbeitet PPG auch im Reflektionsmodus: Die Lichtmenge, die in Richtung der LED-Lichtquelle reflektiert wird, verringert sich durch die Aufnahmewirkung ebenfalls bei jedem Impuls. Dies ermöglicht die Anbringung eines HRM-, HRV- und Pulsoximetriegeräts auf der Hautoberfläche, z. B. in einem Armband.
Formfaktor mit Schwierigkeiten
Doch dieser PPG-Reflektionsmodus bereitet Entwicklern zahlreiche Probleme, wenn kontinuierliche und zuverlässige Herzfrequenzmessungen das Ziel sind. Die Funktion des Geräts kann nämlich beeinträchtigt werden durch: Körperbewegungen (z. B. Gehen, Laufen, Gestikulieren), durch Übungen unter Gebrauch der Arme, wenn diese den Blutkreislauf in den Blutgefäßen am Gelenk beeinflussen, durch Umgebungslicht, Übersprechen zwischen der LED des Geräts und seinen Photosensoren sowie durch Bewegung des Geräts auf der Hautoberfläche.
Das Design ist eine besondere Herausforderung, da ein Großteil des LED-Lichtes vom Körpergewerbe reflektiert wird und nicht von den Blutgefäßen (Bild 2). Die anderen Körperteile sind Schwankungen der Resorptionsgeschwindigkeit weniger ausgesetzt. Dies bedeutet, dass die durch das schlagende Herz verursachte Veränderung außer durch ein starkes DC-Basissignal durch ein sehr schwaches AC-Signal dargestellt wird. Die Erfassung dieses AC-Signals erfordert einen äußerst sensiblen Analog-IC mit großer Messdynamik.
Dies bedeutet: Durch Körperbewegungen oder durch das Verschieben des Geräts auf der Hautoberfläche verursachte Verzerrungen würden zu ungenauen Messergebnissen führen, es sei denn, das Gerät annulliert diese Störeinflüsse mit Kompensationsalgorithmen. Das System benötigt daher einen Beschleunigungssensor, der Daten der Bewegung als xyz-Input für den Algorithmus liefert.
Die Bewegung des Armbands auf der Hautoberfläche wird auf ein Minimum reduziert, wenn das Band fest anliegt; es muss jedoch gleichzeitig so locker sitzen, dass es noch bequem ist. Festes Anliegen hilft, dem Umgebungslicht den Weg zur Photodiode zur versperren, obwohl selbst bei eng sitzendem Armband Umgebungslicht durch die Hautoberfläche bis zum Sensor durchdringen kann.
Um hohe Verlässlichkeit und Genauigkeit zu erreichen, gibt für ein auf einem Armband angebrachtes PPG-Gerät einige Methoden zur Kompensation des Umgebungslichtes:
- Optische Schmalbandfilter
- Optische Signalmodulation
- Automatische?Verstärkungsregelung
- Filtern elektrischer Signale
Eine Lichtschranke zwischen den LEDs und dem Detektor reduziert das Übersprechrisiko. Dies kann auch durch Änderung des Board-Package erzielt werden: Bumps (Erhebungen) auf den Detektoren und den LEDs erleichtern das Eindringen des Lichts in das Gewebe und leiten es wirkungsvoller in den Körper.Die grundlegenden Elemente eines auf einem Armband angebrachten PPG-Systems sind in Bild 3 zu sehen. Der Anwendungsprozessor verwaltet die Systemfunktionen, die Kommunikation und das Display. Ein Bluetooth-Low-Energy-Modem (Bluetooth Smart) stellt eine Funkverbindung kurzer Reichweite zu einem Host-Computer her, z. B. zu einem Smartphone.
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