Startseite > Messen + Testen > Sensorik > Puls war erst der Anfang

Sensoren für Fitnessarmbänder

Puls war erst der Anfang

27. Oktober 2016, 10:00 Uhr | von Dr. Christoph Goeltner

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Abgeleitete Vitaldaten: Mehrwert präziser Messung

Mit zunehmender Verbreitung von Wearables wächst auch die Erfahrung mit den Messmethoden. Auf diese Weise wird es bald möglich sein, weitere Vitaldaten abzuleiten. Beispiele sind die für Ausdauer-Sportarten interessante maximale Sauerstoffaufnahme (VO_2max), der Blutdruck und die Herzfrequenzvariabilität, aus der sich u. a. Stressbelastungen und Ruhe- und Belastungspuls ableiten lassen. Für alle diese Analysen ist eine präzise und kontinuierliche Herzfrequenzmessung nötig, weshalb an verbesserten Sensoren geforscht wird, die genauer sind als derzeitige Modelle. Die größte Herausforderung dabei ist die kontinuierliche Messung über mehrere Stunden. Während der Messung kann sich beispielsweise der Abstand zwischen Sensor und Haut ändern, sodass zusätzliches Umgebungslicht vom Detektor wahrgenommen wird. Das Messsignal muss dann um diese Artefakte bereinigt werden.

Anforderungen an die Sensoren

Im Allgemeinen bestehen Sensor-Systeme für PPG und Pulsoxymetrie aus einer oder mehreren LEDs, einem Detektor, einer LED-Ansteuerung und einem A/D-Wandler für das Detektorsignal. Für Wearables-Sensoren gelten die üblichen Anforderungen für den Einsatz in mobilen Geräten: Sie müssen kompakt und energieeffizient sein. Außerdem müssen die Emitter neben einer hohen Effizienz auch ein schmalbandiges Emissionsspektrum aufweisen, um konsistente Messungen zu gewährleisten. Aufgrund dieser Anforderung konnte PPG in der Vergangenheit nicht aus der Medizintechnik auf Konsumerprodukte übertragen werden.

LEDs hatten meist ein relativ breites Emissionsspektrum. Erst die Entwicklung der Dünnfilm-Chiptechnik ermöglichte LEDs mit engen spektralen Bandbreiten (etwa 30 nm) und eine verbesserte Systemeffizienz. Dünnfilm-Chips strahlen fast das gesamte Licht nach oben ab; auf diese Weise kann das emittierte Licht nahezu vollständig für die Messung verwertet werden. Emitter müssen auch temperaturstabil sein, damit die Wellenlänge während der Messung konstant bleibt – auch dann, wenn sich der Chip erwärmt. Aufgrund der Wärmeentwicklung werden die Sensoren mit kurzen Pulsen (< 0,3 ms mit Wiederholraten > 2 ms) betrieben. Detektoren haben dementsprechend kurze Schaltzeiten. Maßgeblich für die Empfänger sind außerdem eine hohe Linearität und Empfindlichkeit sowie ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Die Linearität ist v. a. für die Blutsauerstoffmessung wichtig.

Sensoren für Puls- und Blutsauerstoffmessung

Osram Opto Seiconductors befasst sich mit Sensoren für PPG und Pulsoxymetrie in Wearables, beispielsweise enthält die »BioFy«-Reihe verschiedene integrierte Sensoren für unterschiedliche Anwendungen (Tabelle). In BioFy-Sensoren sind Emitter und Detektor optisch durch eine lichtundurchlässige Barriere getrennt. Die Dünnfilm-Emitter haben Wellenlängen von 530 nm (grün), 660 nm (rot) und 940 nm (infrarot). Die Zentroidwellenlänge des 660 nm Emitters ist auf ±3 nm spezifiziert und ermöglicht präzise Pulsoxymetrie-Messungen. Die Fotodioden sind klein und lassen kompakte Sensoren zu. Gleichzeitig hat die fotoempfindliche Fläche genügend Empfindlichkeit, um eine gute Signalqualität zu gewährleisten. Die geringe Kapazität dieser photoempfindlichen Fläche ermöglicht kurze Schaltzeiten und eine hohe Messfrequenz.

Jobangebote+ passend zum Thema

Ingenieur/Elektroingenieur/Elektrotechniker als Field Application Engineer

GEYER Electronic GmbH, Planegg

Alle Jobangebote im Elektroniknet Karrierebereich anzeigen

SFH 7050	SFH 7051	SFH 7060	SFH 7070	SFH 7072
Sensor für Herzfrequenzmessung (PPG) und Pulsoxymetrie	PPG-Sensor für das Handgelenk	Sensor für PPG und Pulsoxymetrie	PPG-Sensor für das Handgelenk	Sensor PPG und Pulsoxymetrie
Photodiode 1,7 mm²	Photodiode 1,7 mm²	Photodiode 1,7 mm²	Photodiode 3,46 mm²	Photodiode mit IR-Unter- drückung: 3,46 mm², Breitband-Photodiode 0,8 mm²
1 x LED grün (530 nm), 1 x LED rot (660 nm), 1 x IR LED (940 nm)	3 x UX:3-LED 530 nm	3 x UX:3-LED 530 nm 1 x LED 660 nm 1 x IR LED 940 nm	2 x großflächige UX:3-LED 530 nm	2 x UX:3-LED 530 nm 1 x LED 660 nm 1 x LED 940 nm
4,7 x 2,5 x 0,9 [mm]	4,7 x 2,5 x 0,9 [mm]	7,2 x 2,5 x 0,9 [mm]	7,5 x 3,9 x 0,9 [mm]	7,5 x 3,9 x 0,9 [mm]

Tabelle: Auf Biomonitoring spezialisierte optische Sensoren von Osram im Überblick.

Der Sensor SFH 7050 für Herzfrequenzmessungen und Pulsoxymetrie hat neben der Fotodiode je eine rote, grüne und infrarote LED. Das Bauteil kann am Handgelenk oder Finger eingesetzt werden. Speziell für Pulsmessungen am Handgelenk ist SFH 7051 ausgelegt mit drei grünen LED. SFH 7050 und SFH 7051 haben das gleiche Gehäuse und identische Detektoren. Die Sender sind in UX:3-Chiptechnologie gefertigt und werden bei einem Strom von 20 mA betrieben. Mit drei Chips, die in einem Arbeitspunkt betrieben werden, ergibt sich ein energieeffizienter Sensor.

Dieser Ansatz wurde auf einen integrierten Sensor für Puls- und Blutsauerstoffmessungen übertragen. SFH 7060 hat drei grüne UX:3-Chips sowie je eine rote und infrarote LED. Die höhere optische Leistung im grünen Spektralbereich ermöglicht im Vergleich zum SFH 7050 eine bessere Signalqualität. SFH 7060 ist im Vergleich zu SFH 7050 energieeffizienter. Von Vorteil ist auch der größere Abstand zwischen der Fotodiode und dem roten und infraroten Sender. Das Licht kann auf diese Weise tiefer in den Körper eindringen und stabilere Signale mit besserem Signal-zu-Rausch-Verhältnis generieren.

Weniger Messartefakte

Ebenfalls für Pulsmessungen am Handgelenk optimiert ist der kürzlich vorgestellte »SFH 7070«. Zentrales Kennzeichen ist eine Photodiode mit Filter, das infrarotes Licht unterdrückt. In Kombination mit grünem Licht verbessert sich dadurch die Signalqualität. Außerdem wurden die Sender auf beiden Seiten des Detektors angebracht, sodass Messartefakte aufgrund von Bewegungen verringert werden. Für Pulsoxymetrie und PPG-Messungen wurde der Sensor »SFH 7072« entwickelt. Dieser hat die gleichen Eigenschaften wie SFH 7070.

Über den Autor:

Dr. Christoph Goeltner ist Produkt Manager bei Osram Opto Semiconductors in Sunnyvale, Kalifornien, verantwortlich für Infrarot-LED in Konsumeranwendungen.