Kotisairaanhoidon ja fitnesslaitteiden markkinat kasvavat kovalla nopeudella. Pulssia ja veren happitasoa voi mitata pulssioksimetrilla. Tämä artikkeli kertoo, mihin laitteen suunnittelussa pitää kiinnittää huomiota.

Artikkelin ovat kirjoittaneet Zhang Feng ja Marten Smith. Zhang Feng toimii vanhempana sovellusinsinöörinä Microchipin Medical-tuotteiden ryhmässä. Hänellä on elektroniikkasuunnittelijan tutkinto Pekingin teknillisestä yliopistosta ja Illinois Institute of Technologystä. Microchipin palvelukseen Zhang tuli vuonna 2005. Hän on kehittänyt useita referenssisuunnitteluja ja demokortteja esimerkiksi verenpaineen mittaukseen ja pulssioksimetriaan. Marten Smithillä on yli 30 vuoden kokemus puolijohdealalta ja järjestelmäsuunnittelusta. Hän on työskennellyt urallaan sekä suurissa Fortune 1000 -listan yrityksissä että pienissä startupeissa.

Muutoksia, joita lääketieteen ja liikunnan sekä niihin liittyvien laitteiden kehityksessä tapahtuu voi todella kutsua vallankumouksellisiksi. Tämän päivän terveydenhuollon laitteiden vaatimuksia ovat moninaisia, vaihtelevia ja haastavia. Laitteita, joita aiemmin löytyi vain sairaalan käytäviltä, käytetään nyt kotisairaanhoitoon sekä liikunnan ja aktiviteetin seurantaan.

Esimerkiksi yhä useammalla kuluttajatuotteella voidaan mitata sydämensykettä ja veren happitasoa. Näitä mittauksia voidaan tehdä pulssioksimetreillä, joita on tarjolla sekä kotikäyttöön suunniteltuihin lääketieteen laitteisiin että ranteessa pidettäviin fitness-aktiivisuuslaitteisiin.

Tässä artikkelissa käsitellään pulssioksimetrian perusteet medical- ja fitness-sovelluksiin. Tutkimme myös pulssioksimetrilaitteen esimerkkisuunnittelua, jolla demotaan sykkeen ja veren happitason mittausta.

Mitä oksimetria on?

Oksimetria on veren happisaturaation mittaamista ja yleensä se ilmaistaan prosenttilukuna. Pulssioksimetri on laite, joka mittaa henkilön veren happisaturaatiota sekä heidän sykettään. Pulssioksimetrit on helppo tunnistaa niihin liitetyistä klippityyppisistä mittauspäistä, jotka yleensä asetetaan potilaan sormenpäähän.

Pulssioksimetri voi olla erillislaite, osa potilaan tarkkailujärjestelmää tai integroitu puettavaan fitness-seurantalaitteeseen. Näin pulssioksimetrilaitteita käyttävät sairaanhoitajat, kotihoitopotilaat, fitness-fanaatikot ja jopa paineistamattomien lentokoneiden pilotit.

Mitä on veren happisaturaatio?

Veren happisaturaatiota mitataan tutkimalla hemoglobiinia, joka punaisten verisolujen happea kuljettava osa, josta veri saa värinsä ja joka kuljettaa happea kudoksiin. Hemoglobiinia on kahdessa muodossa. Ensimmäistä hemoglobiinia, johon on kiinnittynyt happea, kutsutaan oxyhemoglobiiniksi, Siihen viitataan lyhenteellä HbO2. Toiseen hemoglobiiniin viitataan lyhenteellä Hb.

Veren happisaturaatio (SpO2) tarkoittaa oxyhemoglobiinin ja alentuneen happitason hemoglobiinin suhdetta. Se voidaan ilmaista kaavana:

SpO2=HbO2/ (Hb + HbO2)

Happisaturaatioarvo ilmaistaan prosenttina. Normaali lukema on tyypillisesti 97 prosenttia tai sitä korkeampi.

Kuinka pulssioksimetri mittaa veren happisaturaatiota?

Yksi hemoglobiinin kiinnostavimpia puolia on se, miten heijastaa ja imee itseensä (eli absorboi) valoa. Esimerkiksi Hb absorboi enemmän (ja heijastaa takaisin vähemmän) näkyvää punaista valoa. HbO2 imee itseensä enemmän infrapunavaloa, jota se myös heijastaa vähemmän takaisin. Koska veren happisaturaatio voidaan määritellä vertaamalla Hb- ja HbO2-arvoja, yksi tapa määritellä se tapahtuu heijastamalla sekä punaisen että infrapunaledin valo jonkin ruumiinosan (kuten sormen tai ranteen) läpi ja verrata niiden suhteellista intensiteettiä. Tähän on käytössä kaksi yleistä tapaa: 1) mitataan kudoksen läpi kulkeva valo eli transmissiivinen oksimetria ja 2) mitataan kudoksen takaisin heijastaman valon määrä eli reflektanssioksimetria (ks kuvaa 1).

Kuva 1. Kaksi oksimetrian menetelmää.

Yksi esimerkki transmissiivisesta pulssioksimetriasta löytyy sairaaloista. Yleensä sairaaloiden potilasvalvontajärjestelmiin on integroitu transmissiivinen pulssioksimetri. Toisaalta monet uudemmista laadukkaammista puettavista fitness-laitteista hyödyntävät reflektanssipulssioksimetriaa.

Miten pulssioksimetri mittaa sykettä?

Kun sydän lyö, se pumppaa verta ruumiiseen. Jokaisen sydämenluonnin aikana veri pakkautuu hiussuoniin, joiden koko kasvaa hieman. Sydämenlyöntien välissä hiussuonet kutistuvat. Tämä muutos vaikuttaa siihen, kuina paljon valoa – punaista tai infrapunaa – kulkee kudoksen läpi. Vaikka tämä vaihtelu on hyvin pientä, se voidaan pulssioksimetrilla mitata samantyyppisellä menetelmällä, jolla veren happisaturaatiota mitataan.

Toiminnan yksityiskohtainen teoria

Tyypillinen pulssioksimetri monitoroi veren happisaturaatiota (SpO2) punaisen valon (600-750 nanometrin aallonpituudella) ja infrapunavalon (850-1000 nm) absorbtio-ominaisuuksien perusteella HbO2- ja Hb-hemoglobiineissa. Tämän tyyppinen pulssioksimetri heijastaa punaista ja infrapunavaloa vuorotellen ruumiinosan kuten sormen läpi fotodiodianturiin.

Fotodiodia käytetään normaalisti vastaanottamaan takaisinheijastuvaa valoa molemmista ledistä. Signaali invertoidaan sen jälkeen invertterioperaatiovahvistimella tai operaatiovahvistimella. Tuotoksena saadaan signaali, joka kuvaa sormen absorboimaa valoa, kuten kuvasta 2 näkyy.

Kuva 2. Reaaliaikaiset punaisen ja infrapunavalopulssin signaalit oskilloskoopissa.

Punaisen ja infrapunasignaalin pulssiamplitudit (Vpp) mitataan ja muunnetaan Vrms-arvoksi, jotta saadaan tuotettua arvo allaolevan yhtälön mukaisesti:

Suhde= (Red_AC_Vrms/Red_DC) / (IR_AC_Vrms/IR_DC)

SpO2 voidaan määritellä vertaamalla arviota hakutaulukkoon, joka on muodostettu empiirisistä kaavoista. Pulssi voidaan laskea pulssioksimetrin AD-muuntimen näytteistysluvun ja näytteistysnopeuden perusteella.

Hakutaulukko on tärkeä osa pulssioksimetria. Hakutaulukot riippuvat kustakin oksimetrilaitteesta ja ne perustuvat yleensä kalibrointikäyriin, jotka on saatu suuresta joukosta kohdemittauksia erilaisilla SpO2-tasoilla. Kuva 3 näyttää esimerkin tällaisesta kalibrointikäyrästä.

Kuva 3. Esimerkki kalibrointikäyrästä.

Piirisuunnittelun kuvaus

Seuraava esimerkki kuvaa yksityiskohtaisesti transmissiivisen pulssioksimetrilaitteen suunnittelun eri osia. Suunnittelu – kuten kuva 4 näyttää – demonstroi sekä sykkeen että veren happisaturaation mittaamisen.

Kuva 4. Transmissiivisen pulssioksimetrin järjestelmän lohkokaavio.

Mittapää

Tässä esimerkissä käytettävä SpO2-mittapää on standardinmukainen sormianturi, johon on integroitu yksi punainen ja yksi infrapunaledi, sekä fotodiodi. Ledejä ohjataan lediajuripiirillä.

Sormen läpi kulkevat punainen ja infrapunavalo havaitaan signaalinkäsittelypiirillä, ja en jälkeen ne syötetään 12-bittiseen AD-muunninmoduuliin. Muunnin on integroitu digitaaliseen signaaliohjaimeen (Digital Signal Controller;DSC), jossa SpO2:n prosenttilukema lasketaan.

Lediajuripiiri

Kaksi yksinapaista analogiakytkintä, joita kaksi DSC-piiriltä tulevaa PWM-signaalia ohjaavat, kytkevät punaisen ja infrapunaledin päälle ja pois. Jotta AD-näytteitä saataisiin tarpeeksi ja datanprosessointiin jäisi riittävästi aikaa ennen kuin ledi syttyy seuraavan kerran, ledit kytketään päälle ja pois ajoituskaavion mukaisesti.

Kuva 5. Ajoituskaavio.

Ledin virtaa/voimakkuutta ohjataan 12-bittisellä DA-muuntimella, jota puolestaan ajaa DSC-piiri.

Analoginen signaalinkäsittelypiiri

Signaalinkäsittelyssä on kaksi vaihetta, joista ensimmäinen vaihe on transimpedanssivahvistin. Vahvistimien väliin sijoitetaan suodin, joka päästää läpi korkeataajuuksiset signaalit (ns. high pass -suodin).

Transimpedanssivahvistin muuntaa fotodiodin generoiman muutaman mikroampeerin virran muutamaksi millivoltiksi. Näin saatu signaali kulkee suotimen läpi, joka on suunniteltu suodattamaan taustavalon aiheuttama häiriö pois.

Tuotos siirretään toisen vaiheen vahvistimelle, jonka arvo on 22 ja DC-offsetjännite 220 millivolttia. Vahvistimen arvot asetetaan iin, että toisen vahvistimen lähtö asettuu mikro-ohjaimeen AD-muunninalueen sisään.

Digitaalisen suotimen suunnittelu

Analogisen signaalinkäsittelypiirin lähtö liitetään DSC-piiriin integroituun 12-bittiseen AD-moduuliin. Tässä esimerkissä käytetään Microchipin dsPIC-ohjainpiiriä. Käytetty dsPIC33FJ128GP802-piiri mahdollistaa paitsi integroitujen DCP-toimintojen, myös Microchipin digitaalisen suotimen suunnittelutyökalun (Digital Filter Design Tool) hyödyntämisen.

Ledin päälläoloaikana otetaan yksi ADC-näyte, samoin aina kun ledi on kytketty päältä pois. Johtuen orgaanisen kudoksen läpi kulkevan valon mittaamisen haasteista suodintyökalua käytettiin toteuttamaan taajuusaluesuodin, jonka ansiosta pystyimme suodattamaan ADC-datan. Tätä suodatettua dataa käytettiin sitten laskemaan pulssiamplitudi, kuten kuvasta 6 näkyy.

FIR-suotimen määritykset ovat:
Sampling Frequency (Hz): 500 Passband Ripple (-dB): 0.1
Passband Frequency (Hz): 1 & 5 Stopband Ripple (-dB): 50
Stopband Frequency (Hz): 0.05 & 25 Filter Length: 513
FIR Window: Kaiser

Kuva 6. Input- ja suodatettu data.

- Punaisena kuvattu graafi 1 on FOR-suotimelle menevä input-signaali.
- Vihreänä kuvattu graafi 2 on FIR-suotimen lähtösignaalia.
- X-akseli näyttää ADC-näytteiden määrän.
- Y-akseli näyttää SDC-koodiarvot.

Lopuksi

Kotisairaanhoidon ja fitnessin markkinat kasvavat kovalla nopeudella. Seuraavan viiden vuoden aikana niiden laitteiden, jotka voivat mitata pulssia ja veren happitasoa, tarve tulee vain kasvamaan. Yllä kuvatun kaltainen pulssioksimetrilaitteen referenssisuunnittelu voi olla hyvin hyödyllinen ja tuoda medical- ja fitness-laitteiden suunnittelijoilla etumatkaa, jonka turvin saada laitteensa tuotantoon ja markkinoille asti.

Lisätietoa
Pulssioksimetrisuunnittelu

• Principles of Pulse Oximetry Technology (2002). Oximetry.org. Retrieved April 23, 2014: http://www.oximetry.org/pulseox/principles.htm

• Webster, J. G. (1997). Design of Pulse Oximeters. Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing.

Pulssioksimetrin simulointi

• Fluke Biomedical. (2007). Index 2XL SpO2 Simulator User Manual.