心拍検出設計のためのシステム統合に関する考察

Anonim

オプティカルHRMデザインに関しては、開発者はすべてをやっているか、それをすべて購入するかの選択肢があります

シニアスタッフシステムエンジニアMORRIE ALTMEJD
シリコンラボ
www.silabs.com

フォトプレチスモグラフィ(PPG)としても知られている光心拍数モニタリング(HRM)システムを設計することは、複雑かつ多面的な取り組みです。 設計要素には、人間工学、信号処理およびフィルタリング、光学および機械設計、低ノイズ信号受信回路、および低ノイズ電流パルス生成が含まれる。

ウェアラブルメーカーは、HRM機能をHRM機能に追加しており、HRMアプリケーションに使用されるセンサーのコストを削減するのに役立っています。 多くのHRMセンサは、光検出器やLEDなどの個別部品を高集積モジュールに組み込んでいます。 これらのモジュールは、ウェアラブル製品にHRMを追加するコストと複雑さを削減する簡単な実装を可能にします。

着用可能なフォームファクタも着実に変化しています。 胸部ストラップは健康とフィットネスの市場を長年にわたって効果的に提供してきましたが、HRMは現在手首ベースのウェアラブルに移行しています。 光センシング技術と高性能、低消費電力プロセッサの進歩により、手首ベースのフォームファクタが多くの設計で実現可能になりました。 HRMアルゴリズムはまた、手首形状因子で受け入れられるように洗練されたレベルに達している。

ヘッドバンド、スポーツ&フィットネス衣類、イヤホンなど、着用可能なその他の新しいセンシングフォームファクタと場所が登場しています。 しかし、ウェアラブルバイオメトリックセンシングの大部分は、手首で行われる。

HRM設計の基礎
2つのHRMアプリケーションは同じではありません。 システム開発者は、エンドユーザの快適さ、センシングの精度、システムコスト、消費電力、日光の拒絶、多くの肌のタイプに対処する方法、動作の拒絶、開発時間、および物理的サイズなど、多くの設計上のトレードオフを考慮する必要があります。 これらの設計上の考慮事項は、高度に統合されたモジュールを使用するか、より多くのディスクリートコンポーネントを組み込んだアーキテクチャを使用するか、システムインテグレーションの選択に影響します。

図1:光心拍数モニタリングの原理。

図1 は、組織から光学的に抽出された心拍圧波に依存する、心拍信号を測定する基本を示す。 それは、皮膚に入る光の移動経路を表示する。 心拍数の圧力波によって引き起こされる毛細血管の拡張および収縮は、緑色LEDによって組織に注入される光信号を変調する。

受信された信号は、皮膚を通る移動によって大きく減衰され、フォトダイオードによって拾われ、処理のために電子サブシステムに送られる。 パルスによる振幅変調が検出され、分析され、表示される。

HRMシステム設計の基本的なアプローチは、外部LEDドライバのパルスを制御し、同時にディスクリートフォトダイオードの現在の出力を読み取る、カスタムプログラミングされた既製のMCUを使用します。 フォトダイオードの電流出力は、アナログ - デジタル(A / D)ブロックを駆動するために電圧に変換されなければならないことに留意されたい。 図2 の回路 図 は、このようなシステムの概要を示しています。

図2:光心拍数を取得するために必要な基本的なエレクトロニクス。

ここでは、I / Vコンバータが0フォトダイオード電流でV REFに等しい電圧を生成し、電流が増加すると電圧が低下することに注目することは重要です。

HRMビルディングブロック
心拍系で一般に使用される電流パルスは、被験者の皮膚の色および所望の信号が競合する必要のある太陽光の強度に応じて、2mA〜300mAである。 太陽光の赤外線(IR)は、所望の緑色LEDライトとは異なり、減衰がほとんどない皮膚組織を通過し、緑色光が非常に強い場合または高価なIRブロッキングフィルターが追加されない限り、所望の信号を掃引することができる。

一般に、緑色LED光の強度は、皮膚に入ると、太陽光の強度の0.1倍から3倍の間である。 組織による重い減衰のために、フォトダイオードに到達する信号は非常に弱く、合理的な信号対雑音比(SNR)(70〜100dB)を可能にするのに十分な電流を生成する。ノイズのない完全なオペアンプとA / Dコンバータが内蔵されています。

ショットノイズは、25Hzで発生する読み取りごとに受信される電子の有限数によるものです。 設計で使用されるフォトダイオードのサイズは、0.1 mm 2と7 mm 2の間です。 しかし、1mmを超えると、日光の影響による戻りの減少があります。

図2に 示されているように、光心拍システムの設計で実装するのが困難でコストのかかる機能ブロックは、LEDを駆動する高速の大電流V / Iコンバータ、LEDを駆動する電流/電圧コンバータ、ホトダイオード、およびホスト制御下でパルスをシーケンスする信頼できるアルゴリズムをMCUに搭載しています。 300mAと75-100dBのSNRを特長とする低ノイズLEDドライバは、2mAまでの非常に低い電流に設定することができ、10μsまでの非常に狭い光パルスを生成することができます。ディスクリートのオペアンプでは、アンペア。

図2 に 示す 10μsまでの狭いパルス光は、システムが運動および太陽光を許容することを可能にする。 典型的には、25Hzサンプルごとに2回の光測定が行われる。 LEDをオフにし、LEDをオンにして1回の測定を行います。 計算された差は周囲光の影響を除去し、ちらつきの背景光に感応しない所望の生の光信号測定値を与える。

光パルスの短い持続時間は、比較的強い光パルスを可能にしまた必要とする。 太陽光信号よりも明るく滞在することが不可欠です。太陽光信号は存在する可能性があり、太陽光信号によってPPG信号キャリアが小さくなりすぎることはありません。

太陽光信号がPPGキャリアより大きい場合、減算によって除去される可能性があるが、信号が非常に大きくなり、シャドー・イン・アンド・シャドーなどの外部変調により、除去が困難なアーチファクトが生じる可能性がある。 その結果、低電流LEDドライバと大きなフォトダイオードを使用するシステムでは、明るい場所でモーションアーチファクトが発生する可能性があります。

離散対統合設計
所望のHRM検出機能の多くは、予め設計され、単一の装置に統合されて利用可能である。 この機能性の大部分を1枚のシリコンにパッケージ化することにより、フォトダイオード自体を集積することができる比較的小さな3×3mmパッケージが得られます。

図3 は、光学センサを有する概略図の例を示す。 このHRM設計は、実装が比較的容易である。 ボード上の部品間の光学的ブロッキングとシステムをスキンに結合することを含むデザインの光学的部分に焦点を合わせるだけです。

図3:内蔵心拍センサは外部LEDのみを必要とします。

図3 に 示す アプローチは高性能なHRMソリューションをもたらしますが、デザイナーが望むほど小型ではないし、効率的でもありません。 より小型のソリューションを実現するためには、LEDダイと制御シリコンを、光学ブロッキングやLED出力を改善するレンズなどのすべての必須機能を組み込んだ単一のパッケージに統合する必要があります。 図4 は、Silicon LabsのSi117x光センサーに基づくこの統合アプローチを示しています。

図4:すべての必須コンポーネントを組み込んだ高度に統合されたHRMセンサーモジュール。

このHRM設計には外部LEDは不要です。 LEDとフォトダイオードはすべてモジュール内部にあり、スマートウォッチなどのウェアラブル製品の背面にある光ポートのすぐ下に取り付けることができます。 このアプローチは、離散的設計よりもLEDとフォトダイオードとの間の距離を短くすることができる。 この距離が短くなると、皮膚を横切る光損失がより少なくなるため、極めて低い出力での動作が可能になる。

LEDを統合することにより、LEDとフォトダイオードの間の光漏れの問題も解決され、設計者は光学ブロッキングをPCBに追加する必要がありません。 このアプローチの代替方法は、PCB上のプラスチックまたはフォームインサートと特殊な銅層でブロッキングを処理することです。

開発者が必ずしも作成する必要がない、HRM設計のもう1つの部分、HRMアルゴリズムがあります。 ホストプロセッサ上に存在するこのソフトウェアブロックは、運動および一般的な動き中に生じる信号破損のために非常に複雑である。 エンドユーザの動きは、実際の心拍信号を偽装する独自の信号を作成することが多く、心拍ビートとして誤って認識されることがあります。

ウェアラブル開発者または製造元にアルゴリズムを開発するためのリソースがない場合、サードパーティベンダーはこのソフトウェアをライセンスベースで提供します。 HRMアプリケーションにどのくらいの統合が適切かを決定するのは設計者次第です。 開発者は、認可されたアルゴリズムを使用して高度に統合されたモジュールベースのアプローチを選択することで、設計プロセスを簡素化し、市場投入までの時間を短縮できます。

光学式センシングの専門知識、時間、およびリソースを持つ開発者は、センサ、フォトダイオード、レンズなどの別々のコンポーネントを使用して、独自のシステム統合を行い、独自のHRMアルゴリズムを作成することもできます。