Monilla liikkujilla on nykyään ranteessaan sykemittari, joka nojaa PPG–mittaamiseen. Tällaisen rannekkeen suunnittelu on iso haaste sekä mekaanisesti että sähköisesti.

Sydämensykkeesi kertoo sinusta paljon. Leposyke ilmaisee henkilön kuntoa, sykevaihtelut kertovat elintavoista paljastaen tietoa stressitasoista tai unen laadusta.

Tämän fysiologisen indikaattorin tärkeys on saanut elektroniikkateollisuuden innovoimaan ja kokeilemaan: se yrittää kehittää luotettavaa tapaa toteuttaa jatkuva sykemittaus puettavaan laitteeseen – joka olisi miellyttävää – joka voi liittyä älypuhelimeen tai tietokoneeseen ja sitä kautta tuottaa käyttäjälleen käyttökelpoista informaatiota terveydestään, elintavoistaan ja liikkumisestaan.

Kuten tässä artikkelissa osoitetaan, sykemittauksen teknologiat ja sykevaihteluiden seuranta tunnetaan hyvin ja niitä hyödynnetään monissa sovelluksissa. Näiden toteuttaminen puettavassa laitteessa vaatii kuitenkin sovellusspesifiä yhdistelmää tarkasta analogiapiiristöstä, suodinkomponenteista ja ohjelmistoista.

Kuinka mitata sykettä valolla?

Sykkeen seuraaminen perinteinen menetelmä on sydämen jokaisella lyönnillään generoiman sähköpiikin mittaaminen ECG-laitteella eli elektrokardiogrammilla. Kannettava ECG-laite kiinnitetään rintavyöhön, joka pitää sitä sydämen päällä. Laite voi siirtää lukemansa isäntätietokoneelle langattomasti.

Valitettavasti rintanauhat tai -vyö on epämiellyttävä, jos sitä joudutaan pitämään pidempiä aikoja. Sillä on tärkeä rooli lääketieteessä ja kuntomittauksessa, mutta jatkuvaan käyttöön se ei ole sopiva ratkaisu. Käyttäjille, jotka haluavat seurata sykettään jatkuvasti, puettava laite kuten rannemittari tai älykello on parempi vaihtoehto.

Selvästikään ECG-mittaus ei onnistu ranteesta. Itse asiassa vaihtoehtoista tapaa käyttään jo laajalti lääketieteen ammattilaisten parissa sykkeen ja veren happitason mittaamiseen. Optinen mittausmenetelmä PPG (photoplesmythography) mittaa muutosta veren volyymissä sen laajentaessa laskimoita ja hiussuonia ihonalaisissa kudoksissa.

Lääketieteessä tämä mittaus tehdään yleensä sormiklipsillä, joka asetetaan potilaan sormenpäähän. Laite suuntaan valosäteen ihoon (laitteen sivulla olevasta ledistä) ja mittaa muutoksen valon kulkemisessa sormen läpi (fotodiodissa klipsin toisella puolella). Anturin mittaavan valon määrä putoaa nopeasti jokaisen sydämenlyönnin aikana, sillä volyymiltään kasvanut veri imee itseensä enemmän valoa. Fotodiodilta tuleva signaali on sahalaitainen käyrä (ks. kuva 1), perustaajuus joka vastaa sydämen sykettä.

Kuva 1. Tyypillinen sahalaitainen käyrä PPG-sykemittarista.

Lääketieteellisessä käytössä PPG-lähetysmoodi on suositeltu metodi, mutta tämä rajoittaa laitteen mekaanista suunnittelua. Sen täytyy peittää osa kehosta, käytössä yleensä sormi tai korvalehti. Tämä on epämiellyttävää ja epämukavaa, mikäli laitetta täytyy pitää pidempään kuin muutaman minuutin ajan.

Onneksi PPG toimii myös reflektio- eli heijastustilassa. Ledivalolähteeseen takaisin heijastuvan valon määrä vähenee myös jokaisella sydämenlyönnillä. Tämän ansiosta sykemittaus, sykkeen vaihtelun mittaus ja veren happitason mittaus voidaan tehdä ihon pinnasta, esimerkiksi rannelaitteella.

Rannetoteutuksen vaikeudet

Tämä PPG:n heijastustila luo kuitenkin suunnittelijalle useita haasteita jatkuvan ja luotettavan sykemittauksen saavuttamiseksi. Laitteen toimintaa voivat haitata:

- ruumiinliikkeet: esimerkiksi eleet tai liikunta jossa pitää liikuttaa käsivarsia, vaikuttavat veren kiertoon ranteen suonissa
- ympäröivä valo: ylikuuluminen laitteen ledien ja sen fotodiodien välillä
- puettavan laitteen liikkuminen ihon pinnalla

Suunnittelu on erityisen haastavaa, koska suurin osa lediin valosta heijastuu takaisin ihon kudoksista, eikä verisuonista (ks. kuva 2). Nämä muut kehon osat eivät aiheuta yhtä paljon vaihteluita valon imeytymisessä, minkä takia sydämen syke näkyy vain pienenä AC-signaalina suuren DC-kantasignaalin päällä. Tämän AC-signaalin havaitseminen vaatii hyvin herkkää analogiapiiristöä, jossa on laaja dynaaminen ala.

Tämä tarkoittaa myös, että ruumiinliikkeiden ja laitteen liikkumisen ihon pinnalla aiheuttamat häiriöt tekisivät mittauksista epätarkkoja, jollei laite pysty suodattamaan pois niiden vaikutuksia kompensaatioalgoritmeilla. Järjestelmä tarvitsisi näin kiihtyvyysanturin tuottaakseen 3-akselista liikedataa kompensaatioalgoritmin syötteeksi.

Kuva 2. PPG-anturin tyypillinen sijoittaminen ranteeseen.

Rannekkeen liikkuminen ihon pinnalla voidaan tietenkin minimoida kiristämällä ranneke tiukasti, mutta sen pitää samaan aikaan olla riittävän löysä ollakseen mukavan tuntuinen. Tiukkana on myös helpompi estää ympäröivän valon pääsy fotodiodiin, vaikkakin kapea ranneke voi antaa ympäröivän valon päästä ihon pinnan läpi aina anturiin asti.

Jotta mittaus olisi luotettavaa ja tarkkaa, ranteeseen kiinnitettävässä PPG-laitteessa voidaan hyödyntää erilaisia keinoja ympäröivän valon suodattamiseksi:

- optiset kapeakaistasuotimet
- optisen signaalin modulointi
- automaattinen signaalin vahvistus
- sähköisen signaalin suodattaminen

Optinen este ledin ja detektorin välillä voi pienentää ylikuulumisen riskiä. Tämä voidaan saavuttaa myös piirilevyn kotelointia muokkaamalla: nystyt detektorien päällä ja ledissä parantavat valon kykyä läpäistä kudoksia ja suuntaavat sen tehokkaammin ranteeseen.

Mutta se mekaniikasta. Entäpä elektroniikka?

PPG-rannemittarin tärkeimmät osat

Rannekkeeseen asennetun PPG-järjestelmän keskeiset elementit on esitetty kuvassa 3. Sovellusprosessori ohjaa järjestelmätoimintoja, tietoliikennettä ja näyttöä. Ble-modeemi (bluetooth low energy) tuottaa langattoman lyhyen kantaman linkin isäntälaitteeseen kuten älypuhelimeen.

Itse PPG-mittausjärjestelmä voidaan toteuttaa erillisledeillä, fotodiodeilla ja signaalin prosessoinnilla, kun sovelluksen algoritmeja voidaan ajaa isäntäprosessorilla. Tällainen erillisratkaisu vaatisi kuitenkin sitä, että kehitystiimi optimoisi kaikki laitteen osat, mukaan lukien:

- ledien lukumäärä ja niiden välinen etäisyys
- ledien valovoima – teho ja väri
- fotodiodien määrä ja niiden välinen etäisyys
- optisten esteiden ja suotimien lisääminen
- ledien toiminnan ajoittaminen ja ohjausliitännän toteuttaminen niille ja fotodiodeille

Kuva 3. PPG-rannelaitteen lohkokaavio.

Integroitujen ratkaisujen edut

Integroitu, kaikki tarvittavat toiminnalliset lohkot sisältävä moduuli PPG-optimoituine ohjelmistoineen poistaa tarpeen ratkaista mitään yllä mainitusta integrointiongelmista. Esimerkiksi ams:n AS7000-anturijärjestelmäpiiri on tällainen integroitu PPG-rannemittarijärjestelmä yhdessä 4 x 6 x 1 millin moduulissa. Se sisältää ledit, fotodiodit, optisen prosessoinnin ja analogiaetupään (ks. kuva 4).

Piiri sisältää myös vähävirtaisen ARM Cortex-M0 -prosessoriytimen, joka laskee ams:n algoritmeja ja tuottaa todellisen sykelukeman (lyöntiä minuutissa) ja mittaa myös piikit (millisekunteina) niitä sovelluksia varten, jotka tarvitsevat sykkeen vaihtelun tietoa. Hyvin monipuolinen ja joustava analogiaetupää voidaan ohjelmoida optimoimaan PPG-signaalin laatu niin, että sen pohjalta voidaan laskea tärkeitä elintoimintoja kuten hengitystiheys, veren happitasapaino ja verenpaineeseen liittyviä parametreja.

Koska puettavien laitteiden markkinoilla on laitteita sekä tehokkaalla isäntäprosessorilla (kuten älykellot) että ilman (rannekkeet), AS7000-piiri on suunniteltu ajamaan sykemittausalgoritmia sekä piirillä itsellään että järjestelmän sovellusprosessorilla. Piirillä on sopivat liitännät ja riittävästi muistia molempiin vaihtoehtoihin ja siksi se tuo suunnittelijoille joustavuutta integroida ratkaisu erilaisiin tuotteisiin.

Kuva 3 näyttää AS7000-piirin käyttävän erillistä kiihtyvyysanturia liikkumisesta aiheutuvien häiriöiden kompensointiin. Se voi kuitenkin käyttää myös koko järjestelmän käytössä olevan kiihtyvyysanturin dataa, kunhan data on käytettävissä tasaisin väliajoin.

Kuten tämä artikkeli on osoittanut, optisen järjestelmän mekaanisella suunnittelulla on suuri vaikutus sen suorituskykyyn. Tämän takia AS7000-piiri toimitetaan osana kokonaisratkaisua, johon sisältyvät sykemittaus, sykkeen varioinnin mittaus ja veren happitason mittauksen algorimit optimoituina moduulin laiteominaisuuksia varten. Kehitysvaiheessa saa lisäksi tukea optomekaaniseen suunnitteluun. Tämän ansiosta piiri voidaan helposti pudottaa osaksi tuotesuunnittelua ilman merkittävää integrointivaihetta tai ohjelmiston kehitystä. Sitä voidaan käyttää myös pelkkänä mittauksen etupäänä, mittausprosessin hallinnassa ja optisen raakadatan tuottamiseen isäntälaitteen sovellusprosessorille.

Kuva 4. AS7000-piirin lohkokaavio sykemittaussovelluksessa. Käytössä kaksi vihreää lediä.

Ams käyttää kahta menetelmää poistaakseen ympäröivän valon vaikutuksen mittaustuloksiin. Ensimmäinen pohjaa optisten suotimien ja esteiden käyttöön. Lisäksi ohjain moduloi ledien toimintaa säädettävällä taajuudella, tyypillisesti 1 kilohertsissä. Synkroninen demodulaattori kertoo signaalin luvuilla +1/0/-1, sen ajoitus synkronoidaan ledin modulointitaajuuteen, minkä avulla se voi vähentää ympäröivän valon määrän mitatusta valosta jättäen vain takaisin heijastuneen ledin valoarvon lisäprosessointiin.

Jotta ledin virta, integrointiaika ja AD-muuntimen näytteistysaika saataisiin synkronoitua, voidaan käyttää sisäänrakennettu näytteistyksen ajoittajaa (sequencer, ks. kuva 5). Ajoitin generoi 16-bittiset ajoitukset yhden mikrosekunnin kelloon ja synkronoi ledin moduloinnin ja demoduloinnin, ja AD-muunnoksen. Tulokset tallennetaan automaattisesti piirin liukuhihnapuskuriin tai AD-muuntimen datarekisteriin.

Kuva 5. Sisäänrakennettu ajoitin ohjaa ledien toiminnan ajoitusta ja synkronista demodulaattoria.

AS7000-piirin analogiaosa tuottaa suodatettuja ja vahvistettuja mittauksia heijastuneesta valosta. Ams:n oma algoritmi tuottaa tarkan ja luotettavan sykelukeman vain 20 datanäytteestä sekunnissa. Kiihtyvyysanturilta vastaanotettu data syötetään algoritmille säännöllisin väliajoin, joten se tunnistaa ja kompensoi liikkeen aiheuttamat häiriöt. Kannattaa huomata, että firmware-ohjelmisto voidaan päivittää sarjaliitännän tai I2C-liitännän kautta. Tämän ansiosta eri sovelluksissa voidaan käyttää eri algoritmeja ja silti hyödyntää AS7000-piirin optisista anturiominaisuuksista.

AS7000-järjestelmäpiirin lopputuloksena on verenvirtauksen PPG-mittaukseen perustuva elintoimintojen lukeminen. AS7000-piiri käyttää todettuja menetelmiä:

- valon syöttämiseen ihon alle
- heijastusten tarkkaan mittaamiseen ilman ympäröivän valon, ruumiinliikkeiden tai ylikuulumisen aiheuttamia häiriöitä
- näiden mittausten muuntaminen tarkaksi sykelukemaksi, sykenvaihtelun lukemaksi ja veren happitason lukemaksi

Kaikki tämä voidaan saavuttaa käyttämällä erillisledejä, fotordiodeita ja signaalinkäsittelyn komponentteja, mutta se vaatisi huomattavasti pidemmän suunnitteluajan ja olisi selvästi riskaabelimpaa kuin kompaktin, vähävirtaisen, käytössä koetellun anturijärjestelmäpiirin käyttö.

Yhteenveto

Lääketieteen ja liikunnan ammattilaiset pystyvät nykyään käyttämään laitteita, jotka mittaavat veren virtaamaa ja sydämensykettä. Nämä laitteet on kuitenkin tarkoitettu ajoittaiseen, lyhytaikaiseen käyttöön. Ne eivät ole riittävän mukavia jatkuvaan käyttöön.

Syke on kuitenkin paljon kertova fysiologinen indikaattori. Jos sitä seurataan jatkuvasti, se voi valottaa henkilön kuntoa, aktiivisuutta, elämäntapaa, terveyttä ja jopa unen laatua. Tämä on saanut elektroniikkateollisuuden kehittämään menetelmän toteuttaa jatkuva sykemittaus ja sykkeen vaihtelun monitorointi puettavassa – eli miellyttävässä – laitteessa, joka on yhteydessä älypuhelimeen tai tietokoneeseen. Näin käyttäjä saa hyödyllistä tietoa terveydestään, elintavoistaan ja aktiivisuudestaan.

Kuten tässä artikkelissa osoitettiin, sykemittauksen tekniikat tunnetaan hyvin ja niitä on käytetty monissa sovelluksissa. Sopivan tekniikan eli PPG-mittauksen toteuttaminen puettavassa muodossa – rannekkeessa – vaatii sovellusspesifistä tarkan analogiapiiristön, suodinkomponenttien ja ohjelmiston yhdistelmää.

Suunnittelun täytyy myös hallita useita mahdollisia häiriön syitä, kuten ympäröivä valo, signaalien ylikuuluminen ja liikkeestä aiheutuvat häiriöt. Järjestelmäpiiri AS7000 on valmis laite- ja ohjelmistototeutus, jolla PPG-mittaus voidaan viedä rannekkeeseen.