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Referenzdesign für Wearables: Über die herkömmliche Sauerstoffsättigung hinaus

In den meisten Wearables wird die Herzfrequenz ebenso wie andere biometrische Daten mit dem PPG-Verfahren gemessen. Das ist bewährt, ist jedoch nicht frei von Fehlern. Insbesondere Bewegungsartefakte sorgen immer wieder für Probleme.

Smart Watches werden – anders als beispielsweise Hörgeräte – über die Daumenkraft kontrolliert. Bildquelle: © Pixabay

Optische Messverfahren mit mehreren Wellenlängen ermöglichen bessere Ergebnisse gegenüber der traditionellen SpO2-Messung.

Die Vermessung des eigenen Körpers boomt. Künftig sollen aus Vitaldaten wie Puls oder Blutsauerstoff weitere Kennwerte ermittelt werden. Ein weitverbreitetes Verfahren für die Herzfrequenzüberwachung oder zur Messung der peripheren kapillaren Sauerstoffsättigung (SpO2)  ist zum Beispiel die Photoplethysmographie (PPG). Sie ist einfach und zweckmäßig, da nur eine LED und ein Photodetektor (PD) am Körper angebracht werden müssen.

Das Grundprinzip der PPG-Technik basiert auf der unterschiedlichen Lichtabsorption durch menschliches Gewebe in Abhängigkeit von den relativen Konzentrationen von Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin. Die Änderungen des Blutvolumens infolge der Systole (Anspannungs- und Austreibungsphase) und der Diastole (Entspannungs- und Füllungsphase) des Herzens lassen sich außerdem heranziehen, um die arterielle Sauerstoffsättigung abzuschätzen.

Anfällig gegen Bewegungsartefakte

Die Lichtabsorption und somit auch die Eindringtiefe in das Gewebe hängen von der Wellenlänge ab. Die Absorption größerer Wellenlängen, zum Beispiel Rot und Nahinfrarot (NIR), ist relativ gering, was eine größere Eindringtiefe in das Gewebe ermöglicht. Kurzwelligeres Licht (zum Beispiel in den Farben Grün oder Blau) wird dagegen stärker durch Melanin absorbiert, sodass es nicht sehr weit in das Gewebe eindringen kann. Folglich ist PPG mit Rot- und NIR-Licht anfällig gegen Artefakte, während PPG mit grünem und blauem Licht weitgehend frei von Artefakten ist.

Mit dem Einsatz von LEDs und PDs in einer Multiplex-Konfiguration lassen sich Messungen und Überwachungen mit mehreren Wellenlängen realisieren. Jedes LED-Detektor-Paar unterstützt hierbei eine andere Wellenlänge und kann im Multiplexbetrieb (in verschiedenen Abtastphasen) zur Überwachung unterschiedlicher Parameter verwendet werden.

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Die Signalerfassung kann in bis zu 16 Phasen erfolgen, wobei Flexibilität hinsichtlich der Zuordnung der LEDs und PDs zu den einzelnen Phasen besteht. Der Baustein kommuniziert per Serial Peripheral Interface (SPI) oder I2C mit dem SimpleLink Bluetooth Low Energy Wireless Microcontroller (MCU) des Typs CC2640R2F, der über einen integrierten Arm Cortex-M3-Kern und einen 2,4 GHz HF-Transceiver verfügt. Das Design unterstützt die leitungsgebundene Datenerfassung über einen JTAG-Anschluss (Joint Test Action Group) sowie die drahtlose Datenerfassung per Bluetooth 5.

Das Referenzdesign wurde für medizinische Anwendungen sowie Personal-Healthcare- und Fitness-Applikationen entwickelt und umfasst neben einer Design-Anleitung auch Layout- und Stücklistendateien, die eine zügige Evaluierung und eine beschleunigte Produktentwicklung ermöglichen. Es eignet sich laut Hersteller für die Echtzeit-Überwachung, bietet Datenaufzeichnungs-Fähigkeiten und unterstützt die Optimierung für verschiedene Konfigurationen.

Schlageworte: Wearbales, Referenzdesign, Patientenmonitoring, PPG

Genannte Firmen: Texas Instruments

Blockschaltbild des Referenzdesigns für die optische Herzfrequenz-Überwachung und SpO2-Messung mit mehreren Wellenlängen Bildquelle: © Texas Instruments

Blockschaltbild des Referenzdesigns für die optische Herzfrequenz-Überwachung und SpO2-Messung mit mehreren Wellenlängen