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다중 파라미터 모니터를 통해 웨어러블 광학 신호 경로를 신속하게 교섭

작성자: Bonnie Baker

Digi-Key 북미 편집자 제공

웨어러블 건강 및 피트니스 모니터는 다양한 기법을 사용하여 광범위한 이동, 전반적인 건강 상태, 수면 정보를 수집합니다. 설계자의 경우, 맥박 산소 측정(SpO2), 광혈류측정(PPG), 심전도(ECG), 혈압 및 호흡률 측정을 위한 이러한 웨어러블 모니터에서 더 많은 기능에 대한 최종 사용자 요구 사항을 수용하는 방법을 이해해야 합니다. 각각의 추가 기능은 설계자들에게 직면한 통합, 전력 관리, 성능, 무게, 개발 시간, 비용 문제를 가중시킬 뿐입니다.

예를 들어, SpO2 솔루션은 일반적으로 발광 다이오드(LED), 광 센서, 트랜스 임피던스 증폭기(TIA), 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 및 관련 알고리즘을 사용하여 신체를 통과하는 광 경로를 생성하는 다중 집적 회로(IC)가 있는 복잡한 전자 장치를 필요로 합니다. ECG는 프런트 엔드 계측 증폭기 및 ADC를 갖춘 민감한 저잡음 아날로그 회로를 필요로 합니다. 이러한 개별 시스템은 또한 추가적인 하드웨어를 사용하여 주변광의 영향을 줄이고 전자기 간섭(EMI)을 관리합니다. 이러한 솔루션은 효과가 있지만 상당한 PC 기판 공간과 맞춤형 펌웨어를 필요로 하므로 비용이 증가하고 개발 시간이 늘어납니다. 따라서 이러한 많은 설계 문제를 해결하는 보다 완벽하고 통합된 솔루션이 필요합니다.

이 기사에서는 착용하기에 적합한 물리적 개체와 LED 구동기, TIA, 대역통과 필터, 적분기 및 ADC로 구성된 다중 파라미터 모니터를 설명합니다. 또한 다중 파라미터 모니터(Analog DevicesADPD4101) 및 연관된 개발 기판을 사용하여 설계 과정을 간소화하고 가속화할 수 있는 방법을 보여줍니다.

아날로그 프런트 앤드 개요

바이탈 사인 모니터링은 의료 사례의 경계를 넘어 일상적인 생활로 확장됩니다. 초기에, 건강 바이탈 사인 모니터링은 병원과 클리닉의 엄격한 의료 감시하에 있었습니다. 마이크로 전자 프로세스 및 설계 발전은 웨어러블 모니터의 비용을 절감하여 원격 의료, 스포츠, 피트니스 모니터링을 가능하게 합니다. 이러한 웨어러블 기기로의 확장을 통해 건강 관련 품질 표준은 사용자의 높은 수준의 기대치를 지속적으로 충족시키고 있습니다.

바이탈 사인 모니터링에는 개인의 건강 상태를 나타낼 수 있는 일련의 생리적 파라미터 측정이 수반됩니다. 예를 들어, SpO2 측정은 산소 포화도(%)와 심박동수를 감지합니다. SpO2 웨어러블 장치에 적절한 센서는 LED 및 광 다이오드입니다.

ECG 및 생체임피던스 측정값은 심박동수, 호흡, 혈압, 피부 전도성 , 체성분을 결정합니다. 이러한 바이탈 사인에 대한 솔루션은 콤팩트하고 에너지 효율적이며 신뢰할 수 있어야 합니다. 이러한 중요 사인을 모니터링하려면 광학, 생체 전위, 임피던스 측정이 필요합니다.

광학 바이탈 사인 신호 경로

SpO2는 혈액의 산소 포화도(%) 및 기타 바이탈 신호를 측정합니다. 혈액 산소 포화도 측정값은 서로 다른 광학 주파수에서 인체를 투과하는 LED의 광을 평가하는 SpO2 기법을 사용합니다. SpO2 테스트는 저산소를 식별하여 호흡계에 영향을 미치는 질병 또는 장애의 시작을 나타낼 수 있습니다. SpO2 측정 데이터는 또한 진정한 혈중 2 포화도 및 혈액 산소 농도(SaO2)를 예측할 수 있습니다.

SpO2를 측정할 때 광학 시스템은 다양한 LED 및 광검출기 도구 상자를 필요로 합니다. 광학 측정을 위한 일반적인 신호 체인에는 상대적인 혈중 산소 수준을 전체적으로 식별할 수 있는 여러 파장을 생성하는 LED가 있습니다. 일련의 실리콘 광 다이오드는 수신된 LED 광 신호를 광전류로 변환합니다. 광 다이오드 전류의 증폭 및 ADC 변환은 필요한 분해능과 정확도를 생성합니다(그림 1).

LED 광 신호로 시작되는 SpO2 테스트의 신호 체인 구성도(확대하려면 클릭)그림 1: SpO2 테스트의 신호 체인은 환자의 인체를 통과하는 LED 광 신호로 시작됩니다. 광 다이오드는 인체를 통과하는 신호를 캡처하여 LED 광을 pA(피코 암페어) 전류 신호로 변환합니다. TIA는 이 전류를 전압으로 변환하고 ADC로 보냅니다. (이미지 출처: Analog Devices, Bonnie Baker에 의해 수정됨)

SpO2 테스트는 940nm 파장 적외선(IR) 및 660nm 빨간색 파장 LED를 사용합니다. 940nm IR 파장에서 산소화된 헤모글로빈은 IR 광을 더 흡수합니다. 산소가 제거된 헤모글로빈은 660nm 빨간색 파장의 광을 더 흡수합니다. 광 다이오드는 두 LED 모두와는 독립적으로 흡수되지 않은 광을 받습니다. 그러나 이러한 LED는 동시에 광을 전송하지 않습니다. 교차 오차를 무시할 수 있도록 하기 위해 LED에 대한 펄스 시퀀스가 ​​있습니다(그림 2).

SpO2 장비의 660nm 빨간색 LED(PulseRED) 및 IR LED(PulseIR) 타이밍(확대하려면 클릭)그림 2: SpO2 장비의 660nm 빨간색 LED(PulseRED) 및 IR LED(PulseIR) 타이밍은 각 LED 광 신호에서 광이 번지지 않도록 합니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

LED에서 인지된 신호는 AC 성분 및 DC 성분을 생성합니다. AC 성분은 동맥혈의 박동성 특성을 나타냅니다. DC 성분은 일정하며 조직, 정맥혈, 비박동 동맥혈로 인한 광 흡수를 나타냅니다. 이 성분은 심장의 휴식기 동안 발생하는 동맥 비시변동성 부분입니다. 방정식 1은 SpO2(%)의 계산을 보여줍니다.

방정식 1 방정식 1

개별 SpO2 측정 회로망은 다음과 같은 6개의 중요 시스템을 갖추고 있습니다. LED 구동기 증폭기, TIA, 아날로그 이득 스테이지, ADC, LED 구동기 증폭기를 제어하기 위한 디지털-아날로그 컨버터(DAC), ADC 및 DAC를 위한 아날로그 전압 레퍼런스.

LED 구동기 증폭기는 빨간색 광과 IR 광이 서로 번지지 않도록 두 채널 사이를 순환해야 합니다. TIA는 광 다이오드 전류를 사용하여 전압 출력으로 변환합니다. 이득 증폭기는 TIA의 전압 출력에서 ADC 입력 범위에 대한 준비로 신호 규모를 증가시킵니다. 이득 증폭기 다음에 있는 ADC는 신호를 디지털화하여 마이크로 컨트롤러 또는 DSP로 전송합니다. 마지막으로 전체 신호 체인에는 아날로그 전압 레퍼런스가 필요합니다.

생체 전위 및 생체 임피던스 측정

생체 전위는 인체의 전기 화학 활동으로 인한 전기적 신호입니다. 예를 들어, 생체 전위 측정값은 ECG일 수 있습니다. 매우 낮은 심장 박동 신호 진폭은 0.5mV ~ 4mV이며 주파수 범위는 0.05Hz ~ 40Hz입니다.

병원이나 진료실에서 의사는 피부에 전극을 부착하여 심장 활동을 모니터링합니다. 습식 전극은 우수한 신체 접촉을 보장하며 일반적으로 은/염화은(Ag/AgCl) 패드를 들 수 있습니다. 웨어러블 응용 제품을 사용하는 개인은 이러한 전극이 매우 불편하고 쉽게 건조해 지거나 피부를 자극하기 시작할 수 있음을 알게 됩니다.

이에 대한 대안인 웨어러블 ECG 회로는 감지 커패시터에 전하를 축적합니다. 충전 프로세스는 수동 저항-커패시터(RC) 네트워크에서 계산된 최적의 시간 상수를 사용하여 피부 대 전극 접촉 임피던스의 변동을 제거합니다. 그림 3에서 ECG 신호는 RC 네트워크 및 TIA1에 결합됩니다. 이 ECG 회로는 피부 대 전극 접촉 임피던스의 변동에 대한 본질적인 내성을 가지고 있습니다.

환자에 대한 건식 연결을 제공하는 ECG+ 및 ECG- 패드 구성도그림 3: ECG+ ECG 패드는 환자에 대해 건식 연결을 제공합니다. 이 패드는 피부 전하의 변화를 RC 네트워크로 전송합니다. BIO-Z1 및 BIO-Z2는 인체 패치 저항기(RBIO-Z)를 통한 연결이며 RBIO-Z와 병행하여 TIA2를 사용하여 피부 저항의 변화를 측정합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Bonnie Baker에 의해 수정됨)

생체 전기 저항은 유용한 신체 정보를 제공하는 또 다른 측정값입니다. 임피던스 측정값은 인체 성분과 수화 수준에 대한 피부 전기 활동 정보를 제공합니다. 그림 3의 두 번째 감지 회로는 피부 저항과 병행하여, 패드 저항 RBIO-Z를 사용하여 피부 저항을 측정합니다. 이 테스트에는 LED 신호가 필요하지 않습니다. 환자가 패드 아래에 수분이나 땀을 생성하지 않는 한 피부 저항은 거의 무한합니다. 신체 땀의 생성은 평행 피부 저항을 감소시켜 TIA2의 반전 입력으로 들어가는 전류를 증가시킵니다.

웨어러블 건강 피트니스 모니터는 생리학적 감지 문제의 고유한 조합을 제공합니다. 각각의 추가 요구 사항은 회로 복잡성과 PC 기판 공간을 증가시킵니다. 건강 및 피트니스 모니터 옵션의 수가 증가함에 따라 고도로 통합되고 복잡하며 컴팩트한 IC에 대한 요구도 증가합니다.

통합 다중 모달 센서

ADPD4100 및 ADPD4101 IC는 최대 8개의 LED를 자극하고 최대 8개의 개별 전류 입력으로 리턴 신호를 측정하는 완전한 다중 모달 센서 프런트 엔드입니다. 12개의 타임 슬롯을 통해 샘플링 주기마다 12개의 독립적 측정을 수행할 수 있습니다. 아날로그 입력은 단일 엔드 또는 차동 회로로 구동할 수 있습니다. 8개의 아날로그 입력은 단일 채널 또는 2개의 독립 채널로 멀티플렉싱되어 2개의 센서를 동시에 샘플링할 수 있습니다. 이러한 두 제품의 유일한 차이점은 ADPD4100은 SPI 인터페이스를 사용하고 ADPD4101은 I2C 인터페이스를 사용한다는 것입니다(그림 4).

Analog Devices ADPD4100 및 ADPD4101의 기능 제품 구성도(확대하려면 클릭)그림 4: ADPD4100 및 ADPD4101의 기능 제품 구성도는 LED 구동 출력 채널 및 아날로그 입력 채널을 나타냅니다. 입력 채널은 ADC를 통해 변환을 위한 광 다이오드 또는 정전 용량 방식 전류 신호를 수신합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 4에서, 디지털 처리 타이밍 제어에는 12개의 시간 슬롯이 제공되어, 샘플링 기간당 12개의 개별적 측정을 수행할 수 있습니다. 외부 LED 및 광 다이오드와 함께 ADPD4100/ADPD4101의 유연한 아키텍처는 설계자가 생체 전위 및 생체 임피던스 데이터를 수집하여 웨어러블 측정 요구 사항을 측정하는 데 도움을 줍니다. ADPD4100은 디지털 SPI 인터페이스를 갖춘 완전한 아날로그 모듈을 사용합니다. ADPD4101의 디지털 인터페이스는 I2C입니다.

ADPD4100/ADPD4101 아날로그 신호 경로는 두 독립적 채널 중 하나에 단일 엔드 또는 차동 쌍으로 구성 가능한 8개의 전류 입력으로 구성되어 있습니다(그림 5).

아날로그 신호 경로 블록 다이어그램 이미지그림 5: 아날로그 신호 경로 블록 다이어그램에는 8개의 아날로그 입력 단자와 2개의 TIA가 포함되어 있습니다. 대역 통과 필터(BPF)는 ADC의 분해능을 증가시키는 적분기의 앞에 위치합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 5에서 2개의 센서를 동시에 샘플링하는 옵션은 2개 TIA 채널에서 사용 가능합니다. 각 채널은 프로그래밍 가능한 이득(RF)을 갖는 TIA, 100kHz의 고역 통과 코너를 갖는 대역 통과 필터(BPF), 390kHz의 저역 통과 컷오프 주파수, 샘플당 ±7.5pC를 적분하는 적분기에 액세스할 수 있습니다. 각 채널은 14비트 ADC로 시간 멀티플렉싱됩니다. 그림 5에서, RINT는 적분기 입력에 대한 직렬 저항기입니다.

ADPD4100/ADPD4101은 웨어러블 장치에서 작동 시 설계자들이 마주하는 여러 문제를 해결합니다. 생체 의학 프런트 엔드는 고성능, 이중 채널 센서 입력 단계, 자극 채널, 디지털 처리 엔진 및 타이밍 제어로 모든 요구 사항을 충족합니다. 이 다중 모달 센서 프런트 엔드 세대는 전체 시스템에 대해 100dB의 향상된 신호 대 잡음 사양과 감소된 전력 소비(30µW)를 제공합니다.

ADPD4101 평가 기판

EVAL-ADPD4100Z-PPG 평가 기판(그림 6) 은 ADPD4100/ADPD4101 광도계 프런트 엔드를 고려하는 설계자에게 가치가 있습니다. 이 기판은 바이탈 사인 모니터링 응용 제품, 특히 손목 기반 PPG를 위한 간단한 개별 광학 설계를 구현합니다.

Analog Devices EVAL-ADPD4100Z-PPG 기판 이미지그림 6: EVAL-ADPD4100Z-PPG 기판은 손목 기반 PPG에 대해 ADPD4100/ADPD4101을 평가하는 데 유용합니다. 광학 소자(오른쪽)는 3개의 녹색, 1개의 IR, 1개의 LED 및 광 다이오드로 구성되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

EVAL-ADPD4100Z-PPG에는 3개의 녹색, 1개의 IR, 1개의 LED가 있으며 모두 개별적으로 구동됩니다. 또한 단일 온보드 광 다이오드가 있어 이 평가 기판을 즉시 작동시킬 수 있습니다.

ADPD4101 참조 설계

ADPD4101에 센서를 연결하는 데 유용한 도구는 EVAL-CN0503-ARDZ 참조 설계입니다. 이 참조 설계는 웨어러블 모니터에 대해 구체적으로 설명하지 않지만 CN0503 사용 안내서에서 EVAL-CN0503-ARDZ가 ADPD4101을 사용하여 탁도, pH, 화학적 조성 및 기타 물리적 특성을 감지하는 방법을 설명하는 방식을 확인하는 데 유용합니다. EVAL-CN0503-ARDZ 참조 설계는 재구성이 가능한 다중 파라미터 광학 액체 플랫폼으로 색 측정 및 형광 측정을 수행할 수 있습니다(그림 7).

Analog Devices EVAL-CN0503-ARDZ 광학 액체 측정 플랫폼의 간소화 회로도(확대하려면 클릭)그림 7: EVAL-CN0503-ARDZ 광학 액체 측정 플랫폼의 간소화 회로도 (이미지 출처: Analog Devices)

EVAL-CN0503-ARDZ에는 EVAL-ADICUP3029 개발 기판과 함께 4개의 구성 가능한 광학 경로가 있습니다(그림 8). 두 개의 외부 경로에는 형광 및 산란 측정을 위한 수직 광 다이오드 및 필터 리셉터클도 포함되어 있습니다. 각 경로에는 여기 LED, 집광 렌즈, 빔 스플리터, 레퍼런스 광 다이오드, 전송 광 다이오드가 있습니다.

완전히 조립된 Analog Device EVAL-CN503-ARDZ(상단) 및 EVAL-AIDCUP3029(하단) 이미지그림 8: 완전히 조립된 EVAL-CN503-ARDZ(상단) 및 EVAL-AIDCUP3029(하단). (이미지 출처: Analog Devices)

이 광학 설치는 CN0503 장치 구동기Wavetool 평가 소프트웨어와 함께 포괄적인 광학 액체 분석을 위한 경로를 제공합니다.

결론

설계자들은 웨어러블 모니터에 더 많은 기능을 추가하도록 끊임없이 요구를 받고 있습니다. 이로 인해 설계 프로세스가 더욱 복잡해지고 느려지고, 구성 요소 비용이 추가되며, 전력 소비가 증가합니다. 건강 모니터링을 위한 보다 통합된 접근 방식이 필요합니다

위에서 설명한 바와 같이, Analog Devices의 ADPD4101이 제공하는 LED, 광 검출기, ADC 신호 경로 및 12개의 시간 제한 신호 경로의 조합은 웨어러블 의료 및 레크리에이션 장치를 위한 고정밀의 견고한 감지 시스템을 생성합니다. ADPD4101의 다중 LED 및 아날로그 채널과 뛰어난 타이밍 알고리즘을 통해 이 장치는 웨어러블 SpO2, 심장 ECG, 피부 저항 측정을 위한 이상적인 솔루션을 제공합니다.

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작성자 정보

Bonnie Baker

Bonnie Baker는 아날로그, 혼합 신호 및 신호 체인 부문에서 오랜 경력을 쌓아온 전문가이자 전자 엔지니어입니다. Baker는 다양한 업계 저널에 기술 기사, EDN 칼럼 및 제품 기능 관련 글을 수백 회 게시하고 저술해 왔습니다. "A Baker's Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers" 및 기타 다수의 저서를 공동 집필하면서 Burr-Brown, Microchip Technology, Texas Instruments 및 Maxim Integrated에서 설계자, 모델링 및 전략 마케팅 엔지니어로 근무했습니다. Baker는 애리조나 대학교(투손 소재)에서 전기 공학 석사 학위와 북부 애리조나 대학교(애리조나주 플래그스텝 소재)에서 음악 교육 학사 학위를 취득했습니다. ADC, DAC, 연산 증폭기, 계측 증폭기, SPICE 및 IBIS 모델링을 비롯한 다양한 엔지니어링 주제에 관한 온라인 과정을 계획 및 작성하여 제공하고 있습니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자