Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Optyczne sensory biomedyczne dla urządzeń noszonych

ghost666 14 Mar 2019 20:10 765 0
  • Optyczne sensory biomedyczne dla urządzeń noszonych
    W poniższym artykule skupimy się na optycznych sensorach pulsu, które bardzo popularnie wykorzystywane są biomedycznych urządzeniach noszonych. W tym materiale poznamy parametry, jakie można z ich pomocą mierzyć oraz sposób ich działania.

    Większość urządzeń noszonych do pomiaru rytmu pracy serca i innych wartości biomedycznych wykorzystuje fotopletyzmograf (PPG). Jest to prosta metoda pomiaru, która opiera się na zjawisku rozpraszania światła przez krew pod skórą. Układ taki wyposażony jest w diodę LED, oświetlającą fragment naszej skóry oraz fotodetektor, mierzący ilość odbitego/rozproszonego przez nią światła.

    Oczywiście powyższy opis jest daleko idącym uproszczeniem, co nie zmienia faktu, iż PPG opiera się na zasadzie pomiaru światła odbitego od skóry. W rzeczywistych systemach stosuje się często nie jeden, a kilka kolorów (długości fali) stosowanych do pomiaru odbicia. Na rysunku 1 zaprezentowano uproszczony schemat działania fotopletyzmografu, wykorzystywanego w biomedycznych urządzeniach noszonych do monitorowania pracy serca.

    Optyczne sensory biomedyczne dla urządzeń noszonych
    Rys.1. Uproszczony schemat budowy optycznego sensora pulsu.


    Podstawowe elementy, składające się na układ PPG to:

    Emiter(y) światła - układy do PPG wyposażone są zazwyczaj w co najmniej dwa emitery światła o dwóch różnych długościach fali, które oświetlają skórę.

    Fotodioda i front-end analogowy - elementy te wychwytują i pozwalają na pomiar światła odbitego od skóry użytkownika, a także konwertują te sygnały z postaci analogowej do cyfrowej, co umożliwia ich dalszą obróbkę przez procesor w systemie.

    Akcelerometr - akcelerometr mierzy ruch monitorowanej osoby, sygnały z niego potrzebne są do obróbki danych z PPG z wykorzystaniem dedykowanych algorytmów.

    Algorytmy - ten blok składowy PPG obrabia dane pochodzące z front-endu analogowego i akcelerometra, łącząc je w całość, dzięki czemu znajdujące się dalej systemy widzą czyste dane biometrytczne, uniezależnione od ruchu i innych czynników zewnętrznych.





    Co potrafi mierzyć optyczny sensor pulsu?

    Optyczny sensor biomedyczny, taki jak opisano powyżej, generuje przebieg w czasie, który pozwala na odczytanie wielu istotnych parametrów medycznych. Podstawą do tego jest przebieg PPG, który pokazano na rysunku 2. Oznaczono na nim podstawowe dane, jakie odczytuje się z tych przebiegów w systemie biomedycznym.

    Uzyskanie wysokiej jakości przebiegu PPG jest kluczowe dla biometryki systemu i niesie ze sobą wiele wyzwań, które omówione zostaną dalej, w treści artykułu.

    Optyczne sensory biomedyczne dla urządzeń noszonych
    Rys.2. Typowy przebieg danych z PPG.


    Jak pokazano na rysunku 2 - z przebiegu PPG odczytać da się wiele wartościowych informacji. Omówimy podstawowe z nich:

    Tempo oddechu (Breathing rate ) - im niższe tempo oddechu, tym lepsza kondycja naszego organizmu.

    Maksymalna objętość tlenu (VO2 max) - maksymalna objętość tlenu, jaką może w danym momencie czasu wykorzystać nasz organizm. Jest to doskonały estymator naszej wydolności aerobowej.

    Saturacja krwi (Blood oxygen level (SpO2)) - poziom nasycenia krwi tlenem.

    Interwał RR (R-R interval (heart-rate variability) ) - interwał RR to czas pomiędzy poszczególnymi uderzeniami naszego serca. Liczy się nie tylko sam czas, ale także statystyczny rozkład tętna – wariancja – gdyż wskazywać może ona na pewnego rodzaju schorzenia związane m.in. ze stresem.
    Ciśnienie krwi – obecnie da się zmierzyć ciśnienie krwi bez konieczności zakładania specjalnej opaski etc. – wystarczy do tego sygnał PPG.
    Perfuzja krwi – jest to ilościowy opis zdolności układu krwionośnego do transportowania krwi po całym ciele. Ponieważ sensor PPG pozwala na śledzenie przepływu krwi, możliwe jest śledzenie jej przemieszczania w ciele oraz zmiany w poziomie perfuzji.
    Wydajność serca – kolejnym współczynnikiem charakteryzującym zdrowie i kondycję naszego układu krwionośnego, jest wydajność serca, typowo szacuje się ją na podstawie stosunku np. ilości kroków do ilości uderzeń serca.

    Optyczne sensory biomedyczne dla urządzeń noszonych


    Wyzwania stawiane podczas projektowania systemu z optycznym sensorem pracy serca

    Projektowanie optycznego sensora pulsu w urządzeniu noszonym może być sporym wyzwaniem, ponieważ ta metoda pomiarowa jest niezwykle wrażliwa na ruch. Aby kompensować go, konieczny jest doskonały układ optomechaniczny i zaawansowane algorytmy ekstrakcji użytecznego sygnału z zebranych surowych danych. W tabelce po prawej stronie zebrano podstawowe wyzwania związane z projektowaniem tego rodzaju układu. Poniżej omówiono bliżej szereg z tych zagadnień.

    Optomechanika

    Poniżej wymieniono kluczowe aspekty związane z częścią optomechaniczną sensora PPG.

    Sprzężenie optyczne ze skórą – światło leci ze swojego źródła do skóry, odbija się od niej i trafia do detektora; konieczne jest zoptymalizowanie toru optycznego, by trafiające do detektora światło było pozbawione szumu otoczenia (np. pochodzącego od światła słonecznego) i obejmowało możliwie duży obszar skóry, aby sygnał wynikający z przepływu krwi miał w pomiarze dużą amplitudę.

    Odpowiednia długość fali – zastosowanie światła o odpowiednim kolorze pozwala na poprawę jakości sygnału; konieczność stosowania dwóch lub więcej, długości fali światła do pomiaru wynika z fizjologii i spektroskopii krwi oraz różnych miejsc na ciele – inaczej mierzy się parametry na palcu, a inaczej na nadgarstku.

    Odpowiednie ułożenie emiterów – czy wykorzystane przez nas źródła światła są odpowiednio umieszczone? Jest to krytyczne, aby zmaksymalizować sygnał PPG i zmniejszyć poziom zakłóceń spowodowanych ruchem ciała podczas pomiaru.

    Stabilny montaż – czy uchwyt mechaniczny zaprojektowano tak, by emiter i detektor nie poruszały się względem skóry, np. w czasie biegu czy innych popularnych czynności?

    Algorytmy ekstrakcji sygnału

    Poniżej wymieniono z kolei kluczowe aspekty algorytmiczne pozwalające na ekstrakcję kluczowych danych z sygnałów zbieranych z sensora:

    Walidacja algorytmów – czy system przetestowano na możliwie szerokiej i zróżnicowanej populacji? Może on różnie zachowywać się w zależności od koloru czy odcienia skóry, płci, poziomu kondycji czy położenia na ciele.

    Odporność na szum – czy algorytmy stosowane w systemie są odporne na szum w sygnale mierzonym przez sensor? Podczas różnych czynności poziom szumu będzie się zmieniał; istotne jest, aby algorytm był odporny na zakłócenia we wszystkich przypadkach, zwłaszcza gdy zakłócenia powodowane są ruchem.

    Czy algorytm można usprawniać? – czy przewiduje on możliwość implementacji nowych funkcji, dodawania kolejnych pomiarów itp.? W dynamicznie zmieniającym się świecie biomedycznych czujników noszonych postęp o dostosowywanie się do wymagań klientów są kluczowe.

    Powyższe rozważania powinny nam dać całkiem dobry pogląd na to, czym są i jak działają tego rodzaju sensory oraz jakie są trudności w uzyskaniu dobrej klasy sygnału PPG. Przejdźmy teraz do samej interpretacji sygnałów – w poniższej części zawarto informacje jakie dane uzyskać można z sensora PPG i jak przekłada się to na monitorowanie stanu zdrowia i kondycji człowieka przez urządzenia noszone – opaski fitness, zegarki/smartwatche czy nawet słuchawki.

    Co możemy dowiedzieć się o stanie organizmu?

    W coraz bardziej cyfrowym świecie coraz częściej stosuje się optyczne czujniki tętna w urządzeniach noszonych. Mają one niekończące się aplikacje i zapewniają wgląd we wszystko, od osobistej aktywności i poziomu sprawności do stanu zdrowia. Dokładne dane z czujników biometrycznych mogą prowadzić do precyzyjnych ocen kondycji i zdrowia człowieka, ale co mogą zrobić projektanci i inżynierowie czy lekarze z tymi ocenami? W poniższej tabeli podsumowano niektóre z informacji i wniosków, jakie wyciągnąć można z sensorów biomedycznych, które mają również potwierdzone konsekwencje medyczne.

    Mierzony parametrDefinicjaCo mówi o naszym stanie zdrowiaCo to daje w szerszej perspektywie zdrowia
    VO2 maxPojemność tlenowa - jeden z głównych estymatorów chorób sercaWyższa wartość VO2 max mówi o lepszej kondycji naszego organizmuWyższe VO2 max koreluje z niższą śmiertelnością, a także z szybszym odzyskiwaniem zdrowia, np. po zawale lub innym problemie z sercem
    Spoczynkowy pulsCzęstotliwość pracy serca w warunkach spoczynkowych - bez wysiłkuMniejszy spoczynkowy puls mówi o lepszym stanie naszego sercaPowoli zwiększający się spoczynkowy puls - na przestrzeni wielu tygodni - wskazuje na postępowanie chorób układu sercowo-naczyniowego
    Tempo relaksacji pulsuZmiana tempa pracy serca na minutę po zaprzestaniu wysiłkuIm szybsza relaksacja pulsu po wysiłku, tym lepsza nasza kondycjaSzybsza relaksacja pulsu wskazuje na lepszy stan naszego układu krążenia oraz serca
    Tempo przyspieszania pulsuZmiana tempa pracy serca na minutę po rozpoczęciu wysiłkuZbyt szybkie przyspieszanie pulsu podczas wysiłku wskazuje na niedostateczną kondycję fizycznąPodwyższone tętno w połączeniu z nieprawidłowym przyspieszaniem jego pracy podczas wysiłku (np. zbyt wolnym narastaniem) wskazywać może na między innymi miażdżycę tętnic szyjnych
    Wydajność pracy sercaŚredni wysiłek (kadencja) podzielona przez średnie tempo pracy serca podczas tego wysiłkuIm wyższa wydajność, tym mniej potrzebne jest uderzeń serca na wykonanie pewnego jednostkowego wysiłku - kadencji. Kadencja to np. jeden obrót pedałami roweru lub jeden krok podczas bieguPowolny spadek wydajności serca koreluje się z nadciśnieniem
    Wariancja pulsu (HRV)Statystyczna miara zmian (wariancja) tempa pracy serca w czasie dniaHRV pozwala na diagnozowanie stresu psychicznego, a także monitorowanie tzw. "przećwiczenia" naszego organizmu, gdy po prostu ćwiczymy za dużoHRV może pozwalać na przewidywanie migotania przedsionków i arytmii


    Większość urządzeń noszonych z sensorami biomedycznymi, jakie obecne są na rynku jest kierowana do zastosowań sportowych i fitness, ale zaczyna się dostrzegać, że zmiany w kierunku noszenia tego rodzaju urządzeń przez wszystkich ludzi prowadzą do możliwości większego wglądu w zdrowie danej osoby. Wynika to z faktu, że czujniki PPG w tych urządzeniach osiągnęły poziom dokładności, który pozwala na wstępne diagnozowanie stanu zdrowia w zastosowaniach medycznych – ich przydatność została już potwierdzona z pomocą technologii elektrokardiograficznej.

    Poniżej wymieniono i omówiono szereg zastosowań tego rodzaju pomiarów w aplikacjach medycznych obecnie i w niedalekiej przyszłości urządzeń noszonych.

    VO₂ max

    Pomiary aktywności fizycznej i reakcja organizmu na nią są kluczowymi składnikami w określaniu poziomu poprawy naszej kondycji w czasie ćwiczeń. Niektóre urządzenia noszone zaczynają dzisiaj używać pomiaru VO₂ max, czyli maksymalnego zużycia tlenu, do wykrywania przewlekłych zmian w kondycji układu krążenia. Im wyższa wartość VO₂ max, tym lepsza wydajność podczas wykonywania ćwiczeń aerobowych. Jednak urządzenia noszone, zdolne mierzyć VO₂ max mogą być również wykorzystywane do celów stricte medycznych. Wykazano na przykład, że wyższe VO₂ max wiąże się z obniżonym ryzykiem zgonu oraz zwiększoną zdolnością do powrotu do zdrowia po zdarzeniu, takim jak zawał mięśnia sercowego.

    Puls spoczynkowy

    Z pewnością „spoczynek” nie jest tym, co pierwsze przychodzi nam do głowy, gdy myślimy o ćwiczeniach, ale pomiar spoczynkowego tempa pracy naszego serca jest doskonałym wskaźnikiem poziomu naszej kondycji. Generalnie, im niższe tempo jego pracy w czasie, gdy nie wykonujemy aktywności fizycznej, tym lepiej jest z naszą kondycją i ogólnym poziomem zdrowia układu krwionośnego. Dodatkowo, im niższe jest nasze tętno, tym wolniej postępują wszelkie choroby kardiologiczne w naszym ciele.

    Tempo relaksacji pulsu

    Podobnie jak w przypadku pulsu spoczynkowego, pomiar zdolności serca do powrotu do normalnego poziomu po aktywności fizycznej, może również pomóc szacować poziom naszej sprawności czy jakości pracy serca. Zdrowe serce odzyska swoje typowe tętno szybciej, niż chore. Szybsza relaksacja tętna sugeruje zwiększoną wytrzymałość na wysiłek oraz lepsze zdrowie układu sercowo-naczyniowego. Aby ocenić tempo relaksacji akcji serca po wysiłku, analizuje się różnicę między częstością pracy serca podczas aktywności a pulsem po od jednej do dwóch minut po zakończeniu ćwiczenia.

    Tempo przyspieszania pulsu

    Kolejnym użytecznym parametrem, jaki można mierzyć z wykorzystaniem czujnika rytmu serca, jest reakcja tempa pracy serca na ćwiczenie. Jest to typowa fizjologiczna reakcja – zwiększona aktywność mięśni powoduje wzrost aktywności układu współczulnego, a za nim i serca. Im niższa jest nasza kondycja, tym silniejsza reakcja tempa pracy serca na ćwiczenia. Dzięki regularnemu treningowi organizm dostosowuje się do zwiększonego wysiłku. Podczas gdy tętno będzie nadal rosło wraz z wysiłkiem fizycznym, ciało musi pracować ciężej, aby osiągnąć ten sam wzrost pulsu. Szybsza reakcja pulsu na wysiłek, w połączeniu z niekompetencją chronotropową, może również pomóc w przewidywaniu schorzeń tętnic szyjnych.

    Wydajność pracy serca

    Regularne ćwiczenia fizyczne mogą również prowadzić do wyższej sprawności naszego serca. Opisuje się ją proporcją pracy wykonywanej przez serce do energii zużytej do wykonania pracy. Im bardziej efektywne staje się serce, tym mniej uderzeń potrzebuje ono podczas danej aktywności fizycznej. Wydajność serca może być doskonałym wskaźnikiem zdrowia naszego serca. Opadająca wydajność serca jest skorelowana z wieloma problemami sercowo-naczyniowymi, w tym z nadciśnieniem.

    HRV

    Aktywność fizyczną lub stres można ocenić za pomocą tzw. HRV - zmienności (wariancji) czasu pomiędzy uderzeniami serca. Czynnik ten ten wskazuje na poziom stresu psychospołecznego lub psychicznego, a także na przetrenowanie w trakcie ćwiczeń. HRV pozwala na monitorowanie wpływu czynników stresogennych na organizm i wiąże się np. ze zmęczeniem (zdolnościami umysłowymi i pracą) oraz gotowością do wykonywania zadań umysłowych i roboczych. HRV może również pozwolić często na przewidzenie schorzeń takich jak arytmia czy migotanie przedsionków. Zawodowi sportowcy od pewnego czasu stosują pomiary HRV, ale dopiero niedawno funkcja taka pojawia się w urządzeniach konsumenckich.



    W prasie branżowej w ostatnich czasach się wiele nowych zapowiedzi na temat nowych możliwości urządzeń noszonych do wykrywania między innymi migotania przedsionków, arytmii czy pomiaru temperatury ciała i wielu innych parametrów związanych ze stanem zdrowia. Te nowe możliwości pojawiają się między innymi dzięki optycznym czujnikom tętna wykorzystującym sensory PPG. Już dziś takie sensory instalowane są w wielu urządzeniach noszonych. Biomedyczna rewolucja optycznych sensorów w urządzeniach, takich jak smartwatche dopiero się zaczyna.

    Źródła:
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/05/03/optical-heart-rate-sensors-for-biometric-wearables
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/06/25/emerging-medical-applications-for-optical-heart-rate-sensor-technology-in-wearables


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.