Négocier rapidement les trajets des signaux optiques des dispositifs corporels avec un moniteur multiparamètre

Les moniteurs de santé et de fitness corporels utilisent diverses techniques pour collecter un large éventail d'informations sur l'activité, la santé globale et le sommeil. Pour les concepteurs, le problème est de trouver comment répondre à la demande de l'utilisateur final qui recherche davantage de fonctionnalités dans ces moniteurs corporels pour l'oxymétrie de pouls (SpO2), la photopléthysmographie (PPG), l'électrocardiogramme (ECG), la tension artérielle et la mesure de la fréquence respiratoire. Chaque fonction supplémentaire ne fait qu'ajouter aux défis que doivent relever les concepteurs en matière d'intégration, de gestion de l'alimentation, de performances, de poids, de temps de développement et de coûts.

Par exemple, les solutions SpO₂ requièrent typiquement une électronique complexe avec de multiples circuits intégrés qui créent un chemin optique à travers le corps en utilisant des diodes électroluminescentes (LED), des photocapteurs, des amplificateurs d'adaptation d'impédance (TIA), des convertisseurs analogique-numérique (CAN) et des algorithmes associés. Les ECG nécessitent un circuit analogique sensible à faible bruit avec un amplificateur de mesure frontal et un CAN. Ces systèmes discrets utilisent également du matériel supplémentaire pour réduire les effets de la lumière ambiante et gérer les interférences électromagnétiques (EMI). Bien que ces solutions fonctionnent, elles exigent un espace important sur les cartes à circuit imprimé et des micrologiciels personnalisés, ce qui augmente le coût et allonge le temps de développement. Ce qu'il faut, c'est une solution plus complète et intégrée qui résout bon nombre de ces problèmes de conception.

Cet article décrit des entités physiques corporelles et un moniteur multiparamètre comprenant des circuits d'attaque LED, des amplificateurs d'adaptation d'impédance, un filtre passe-bande, un intégrateur et un CAN. Il montre comment utiliser un moniteur multiparamètre (l'ADPD4101 d'Analog Devices) et les cartes de développement associées pour simplifier et accélérer le processus de conception.

Aperçu du circuit d'entrée analogique

La surveillance des signes vitaux dépasse les limites des pratiques médicales et s'étend à la vie quotidienne. À l'origine, la surveillance des signes vitaux était soumise à une supervision médicale stricte dans les hôpitaux et les cliniques. Les avancées en matière de conception et de processus microélectroniques permettent de réduire le coût des moniteurs corporels, rendant possible la télémédecine et la surveillance des activités sportives et de fitness. Avec cette extension aux dispositifs corporels, les normes de qualité liées à la santé continuent de répondre aux attentes de haut niveau d'excellence de l'utilisateur.

La surveillance des signes vitaux consiste à mesurer une série de paramètres physiologiques qui peuvent indiquer l'état de santé d'un individu. Par exemple, une mesure SpO₂ détecte le pourcentage d'oxygénation du sang et la fréquence cardiaque. Les capteurs appropriés pour les dispositifs corporels SpO₂ sont les LED et les photodiodes.

Les mesures ECG et de bio-impédance permettent de déterminer la fréquence cardiaque, la respiration, la pression artérielle, la conductance de la peau et la composition corporelle. Les solutions pour ces signes vitaux doivent être compactes, écoénergétiques et fiables. La surveillance de ces signes critiques requiert des mesures optiques, de biopotentiel et d'impédance.

Trajets des signaux optiques des signes vitaux

L'oxymétrie de pouls SpO₂ mesure le pourcentage de saturation en oxygène du sang et d'autres signes vitaux. La mesure de l'oxygénation du sang utilise une technique SpO₂ qui évalue la transmission de la lumière de la LED à travers le corps à différentes fréquences optiques. Le test SpO₂ permet d'identifier une mauvaise oxygénation, indiquant l'apparition de maladies ou de troubles affectant le système respiratoire. Les données de la mesure SpO₂ permettent également d'estimer la véritable saturation artérielle en O₂ et la concentration d'oxygène dans le sang (S_aO₂).

Lors d'une mesure SpO₂, le système optique requiert divers photodétecteurs et LED. La chaîne de signaux typique pour les mesures optiques comporte des LED qui génèrent plusieurs longueurs d'ondes permettant l'identification globale du niveau relatif d'oxygène dans le sang. Une série de photodiodes en silicium transforme le signal optique LED reçu en un photocourant. L'amplification et la conversion CAN du courant de la photodiode produisent la résolution et la précision requises (Figure 1).

Figure 1 : La chaîne de signaux pour le test SpO₂ commence avec les signaux lumineux LED à travers le corps du patient. Une photodiode capture les signaux transmis et convertit la lumière LED en un signal de courant en pico-ampères (pA). Un amplificateur d'adaptation d'impédance convertit ce courant en une tension et l'envoie à un CAN. (Source de l'image : Analog Devices, modifiée par Bonnie Baker)

Le test SpO₂ utilise des LED infrarouges (IR) de 940 nanomètres (nm) de longueur d'onde et des LED rouges de 660 nm de longueur d'onde. Avec la longueur d'onde IR de 940 nm, l'hémoglobine oxygénée absorbe plus de lumière IR. L'hémoglobine désoxygénée absorbe davantage de lumière de longueur d'onde rouge de 660 nm. La photodiode reçoit la lumière non absorbée indépendamment des deux LED. Cependant, ces LED ne transmettent pas la lumière en même temps. Une séquence d'impulsions pour les LED permet de garantir que les erreurs de croisement sont négligeables (Figure 2).

Figure 2 : La synchronisation de l'équipement SpO₂ pour la LED rouge de 660 nm (Pulse_RED) et la LED IR (Pulse_IR) garantit qu'il n'y a pas de croisement des signaux lumineux de chaque LED. (Source de l'image : Bonnie Baker)

Les signaux perçus des LED produisent des composantes CA et CC. La composante CA représente la nature pulsatile du sang artériel. La composante CC est une constante qui représente l'absorption de la lumière due au tissu, au sang veineux et au sang artériel non pulsé. Cette composante est la partie non variable dans le temps de l'artère, qui se produit pendant la phase de repos du cœur. L'Équation 1 montre le calcul du pourcentage SpO₂ :

 Équation 1

Le circuit de mesure SpO₂ discret comporte six systèmes critiques : amplificateurs de circuit d'attaque LED, amplificateurs d'adaptation d'impédance, étage de gain analogique, CAN, convertisseur numérique-analogique (CNA) pour contrôler l'amplificateur de circuit d'attaque LED, et une référence de tension analogique pour le CAN et le CNA.

Les amplificateurs de circuit d'attaque LED doivent alterner entre les canaux pour éviter que les lumières rouges et infrarouges ne se mélangent. L'amplificateur d'adaptation d'impédance prend le courant de la photodiode et le convertit en une tension de sortie. Un amplificateur de gain augmente l'amplitude du signal en préparation de la plage d'entrée CAN à la sortie de tension de l'amplificateur d'adaptation d'impédance. Après l'amplificateur de gain, un CAN numérise le signal et l'envoie à un microcontrôleur ou à un DSP. Enfin, l'ensemble de la chaîne de signaux nécessite une référence de tension analogique.

Mesures du biopotentiel et de la bio-impédance

Un biopotentiel est un signal électrique dû à l'activité électrochimique du corps. Par exemple, une mesure de biopotentiel peut être un ECG. L'amplitude d'un signal de battement cardiaque exceptionnellement faible est comprise entre 0,5 millivolt (mV) et 4 mV, et la gamme de fréquences s'étend de 0,05 Hertz (Hz) à 40 Hz.

À l'hôpital ou au cabinet médical, le médecin surveille l'activité cardiaque en plaçant des électrodes sur la peau. Les électrodes humides assurent un bon contact avec le corps, généralement des pastilles en argent/chlorure d'argent (Ag/AgCl). Les utilisateurs d'applications corporelles trouvent que ces électrodes sont extrêmement inconfortables et peuvent se dessécher facilement ou provoquer des irritations cutanées.

Alternativement, le circuit ECG corporel accumule une charge électrique sur un condensateur de détection. Avec une constante de temps optimisée, calculée à partir du réseau passif résistance-capacité (RC), le processus de charge élimine la variation de l'impédance de contact peau-électrode. Dans la Figure 3, le signal ECG est couplé à un réseau RC et à l'amplificateur d'adaptation d'impédance TIA1. Ce circuit ECG offre une immunité innée aux variations de l'impédance de contact peau-électrode.

Figure 3 : Les pastilles ECG+ et ECG- sont des connexions sèches au patient. Ces pastilles transmettent la variation de la charge de la peau au réseau RC. Les connexions BIO-Z1 et BIO-Z2 sont effectuées via une résistance cutanée (R_BIO-Z), et utilisent l'amplificateur d'adaptation d'impédance TIA2 pour mesurer le changement de résistance de la peau en parallèle avec R_BIO-Z. (Source de l'image : Analog Devices, modifiée par Bonnie Baker)

La bio-impédance est une autre mesure qui fournit des informations physiques utiles. Les mesures d'impédance fournissent des informations sur l'activité électrodermale concernant la composition du corps et le niveau d'hydratation. Le deuxième circuit de détection de la Figure 3 mesure la résistance de la peau en utilisant une résistance de pastille, R_BIO-Z, en parallèle avec la résistance de la peau. Ce test ne nécessite pas de signal LED. La résistance de la peau est approximativement infinie, à moins que le patient ne génère de l'humidité ou de la sueur sous la pastille. La production de sueur corporelle réduit la résistance parallèle de la peau, ce qui augmente le courant circulant dans l'entrée d'inverseuse de l'amplificateur d'adaptation d'impédance TIA2.

Le moniteur corporel de santé et de fitness présente une combinaison unique de défis en matière de détection physiologique. Chaque exigence supplémentaire augmente la complexité du circuit et l'espace sur le circuit imprimé. Avec l'augmentation du nombre d'options des moniteurs de santé et de fitness, il est nécessaire de disposer d'un circuit hautement intégré, complexe et compact.

Le capteur multimodal intégré

Les circuits intégrés ADPD4100 et ADPD4101 sont des circuits d'entrée de capteurs multimodaux complets qui stimulent jusqu'à huit LED et mesurent les signaux de retour avec jusqu'à huit entrées de courant séparées. Douze intervalles de temps sont disponibles, ce qui permet douze mesures indépendantes par période d'échantillonnage. Les entrées analogiques peuvent être commandées en paires asymétriques ou différentielles. Les huit entrées analogiques sont multiplexées dans un seul canal ou dans deux canaux indépendants, permettant l'échantillonnage simultané de deux capteurs. La seule différence entre ces deux produits est que l'ADPD4100 est doté d'une interface SPI et l'ADPD4101 d'une interface I²C (Figure 4).

Figure 4 : Le schéma fonctionnel des dispositifs ADPD4100 et ADPD4101 illustre les canaux de sortie de commande LED et les canaux d'entrée analogique. Les canaux d'entrée reçoivent les signaux de courant capacitif ou de photodiode pour la conversion par le CAN. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 4, la commande de temporisation de traitement numérique dispose de douze intervalles de temps, ce qui permet de réaliser douze mesures distinctes par période d'échantillonnage. Avec des LED et des photodiodes externes, l'architecture flexible des dispositifs ADPD4100/ADPD4101 aide les concepteurs à répondre aux exigences de mesures corporelles en collectant des données de biopotentiel et de bio-impédance. L'ADPD4100 est doté d'un module analogique complet avec une interface SPI numérique. L'interface numérique de l'ADPD4101 est I²C.

Les trajets de signaux analogiques des dispositifs ADPD4100/ADPD4101 consistent en huit entrées de courant qui sont configurables en paires asymétriques ou différentielles dans l'un des deux canaux indépendants (Figure 5).

Figure 5 : Le schéma fonctionnel du trajet de signal analogique comporte huit bornes d'entrée analogique et deux amplificateurs d'adaptation d'impédance. Le filtre passe-bande (BPF) précède l'intégrateur qui aide à augmenter la résolution du CAN. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 5, l'option d'échantillonnage simultané de deux capteurs est disponible avec les deux canaux d'amplificateurs d'adaptation d'impédance. Chaque canal peut accéder à un amplificateur d'adaptation d'impédance avec un gain programmable (R_F), un filtre passe-bande (BPF) avec un coin passe-haut à 100 kilohertz (kHz), une fréquence de coupure passe-bas de 390 kHz, et un intégrateur capable d'intégrer ±7,5 picocoulombs (pC) par échantillon. Chaque canal est multiplexé dans le temps dans un CAN 14 bits. Dans la Figure 5, R_INT est la résistance série à l'entrée de l'intégrateur.

Les dispositifs ADPD4100/ADPD4101 permettent de résoudre de nombreux défis auxquels les concepteurs sont confrontés lorsqu'ils travaillent sur des dispositifs corporels. Le circuit d'entrée biomédical répond à toutes les exigences grâce à son étage d'entrée de capteur à deux canaux hautes performances, ses canaux de stimuli, son moteur de traitement numérique et son contrôle de temporisation. Cette génération de circuits d'entrée de capteurs multimodaux présente des spécifications signal/bruit améliorées de 100 décibels (dB), et une consommation d'énergie réduite (30 microwatts (µW)) pour le système complet.

Carte d'évaluation ADPD4101

La carte d'évaluation EVAL-ADPD4100Z-PPG (Figure 6) est une option de valeur pour les concepteurs qui envisagent d'utiliser le circuit d'entrée photométrique ADPD4100/ADPD4101. La carte implémente une conception optique discrète simple pour les applications de surveillance des signes vitaux, en particulier la photopléthysmographie au poignet.

Figure 6 : La carte EVAL-ADPD4100Z-PPG permet d'évaluer l'ADPD4100/ADPD4101 pour les conceptions PPG au poignet. Les éléments optiques (à droite) comprennent trois LED vertes, une LED infrarouge et une LED rouge, ainsi qu'une photodiode. (Source de l'image : Analog Devices)

L'EVAL-ADPD4100Z-PPG a trois LED vertes, une LED infrarouge et une LED rouge, toutes commandées séparément. Une photodiode unique est également embarquée, de sorte que cette carte d'évaluation est prête à fonctionner immédiatement.

Conception de référence ADPD4101

Un outil utile pour connecter des capteurs à l'ADPD4101 est la conception de référence EVAL-CN0503-ARDZ. Cette conception de référence n'est pas spécifiquement destinée aux moniteurs corporels, mais elle permet de voir comment le guide d'utilisation du CN0503 illustre le fait que l'EVAL-CN0503-ARDZ utilise l'ADPD4101 pour détecter la turbidité, le pH, la composition chimique et d'autres propriétés physiques. La conception de référence EVAL-CN0503-ARDZ est une plateforme de liquide optique multiparamètre reconfigurable qui peut effectuer des mesures de colorimétrie et de fluorométrie (Figure 7).

Figure 7 : Schéma simplifié de la plateforme de mesure de liquide optique EVAL-CN0503-ARDZ. (Source de l'image : Analog Devices)

L'EVAL-CN0503-ARDZ, en combinaison avec la carte de développement EVAL-ADICUP3029, offre quatre chemins optiques configurables (Figure 8). Les deux chemins extérieurs incluent également des photodiodes perpendiculaires et des prises de filtres pour les mesures de fluorescence et de diffusion. Chaque chemin comporte une LED d'excitation, une lentille de condenseur, un séparateur de faisceau, une photodiode de référence et une photodiode de transmission.

Figure 8 : EVAL-CN503-ARDZ entièrement assemblé sur le dessus et EVAL-ADICUP3029 sur le dessous. (Source de l'image : Analog Devices)

Cette configuration optique, associée au circuit d'attaque de dispositif CN0503 et au logiciel d'évaluation Wavetool, permet de réaliser une analyse de liquide optique complète.

Conclusion

Les concepteurs doivent constamment ajouter plus de fonctionnalités aux moniteurs corporels. Cela complique et ralentit le processus de conception, fait grimper le coût des composants et augmente la consommation d'énergie. Une approche plus intégrée de la surveillance de santé est requise.

Comme illustré, la combinaison de LED, de photodétecteurs, d'un trajet de signal CAN et de douze trajets de signaux temporisés fournie par l'ADPD4101 d'Analog Devices permet de créer un système de détection robuste et haute précision pour les dispositifs médicaux et récréatifs corporels. Avec les multiples LED et canaux analogiques de l'ADPD4101 et ses algorithmes de temporisation supérieurs, le dispositif fournit une solution idéale pour les mesures corporelles SpO₂, ECG et de résistance de la peau.