Пульсоксиметрия от Maxim: новый датчик MAX30102
18 августа 2016
Представленный в начале 2016 года компанией Maxim Integrated интегрированный сенсорный модуль MAX30102 позволяет с минимальными затратами реализовать портативный и при этом отличающийся высокой точностью измеритель пульса и содержания кислорода в крови.
Датчики для измерения частоты сердечной деятельности и насыщения артериальной крови кислородом уже давно находят широкое применение в медицинских приборах разного назначения. Прежде они использовались исключительно в сложном стационарном оборудовании, а с появлением новых специализированных интегральных схем появилась возможность создавать удобные портативные приборы – пульсоксиметры. Они позволяют отслеживать степень насыщения артериальной крови кислородом (SpO2) и частоту сердечных сокращений (пульс).
Более насыщенная кислородом кровь имеет более яркий оттенок красного цвета. С изменением насыщенности крови кислородом (сатурации) меняется степень поглощения и отражения лучей красного и инфракрасного света, направленных на капилляры. При этом, проходя через кровь и ткани, световой сигнал приобретает пульсирующий характер под воздействием изменяющегося объема кровеносных сосудов.
В основу метода пульсоксиметрии положено измерение степени поглощения гемоглобином крови лучей красного и ИК-света. Гемоглобин служит своего рода фильтром, причем «цвет» фильтра зависит от количества кислорода, связанного с гемоглобином или, иными словами, от процентного содержания кислорода в крови. А «толщину» фильтра определяет пульсация артерий, возникающая при изменении в них количества крови.
Используя датчики красного и инфракрасного света совместно с фотодетекторами, АЦП и системами обработки данных, можно контролировать содержание кислорода в крови.
Методика пульсоксиметрии, получившая повсеместное распространение в анестезиологической практике, характеризуется сочетанием высокой точности определения сатурации кислорода (единицы процентов) и высокого быстродействия (оценка производится в процессе нескольких сердечных сокращений) с доступностью и простотой использования.
Пульсоксиметр имеет датчик, в котором находятся два источника света – 660 нм (красный) и 940 нм (инфракрасный). Фотодетектор регистрирует уровень света после поглощения части потока тканями и компонентами крови, а микропроцессор анализирует полученные результаты и определяет насыщенность крови кислородом и частоту сердечных сокращений.
Интегральные датчики MAX30102
MAX30102 является интегральным сенсорным модулем, предназначенным для упрощения разработки портативных медицинских приборов контроля сердечного ритма и насыщенности крови кислородом. В состав этой микросхемы интегрированы светодиоды (красный и ИК) и фотоприемник, а также встроены оптические элементы. Имеющаяся в составе МАХ301002 электронная схема обработки сигналов характеризуется низким уровнем собственного шума и обеспечивает подавление внешней засветки.
В процессе измерений используется канал красного и инфракрасного света с регулируемой программным образом интенсивностью свечения и длительностью сеансов измерения.
MAX30102 (рисунок 1) работает от источника питания напряжением 1,8 В. Отдельный источник питания 5,0 В требуется для излучения встроенных светодиодов. Взаимодействие с внешними устройствами происходит через стандартный интерфейс I2C. Модуль MAX30102 может быть программно переведен в режим ожидания с практически нулевым током потребления, что позволяет отказаться от выключателя питания.
![]() |
![]() |
Рис. 1. MAX 30102MAX 30102 (а) в составе пульсоксиметра (б) |
На рисунке 2 представлено внутреннее устройство MAX30102 и возможности его взаимодействия с внешней средой.
Особенности MAX30102:
- Монитор сердечных сокращений и оксиметрический биосенсор с работающими на отражение встроенными светодиодами
- Миниатюрный (5,6х3,3х1,55 мм) модуль с 14 выводами:
- интегрированная оптическая система, обеспечивающая надежный процесс измерения.
- Сверхнизкое энергопотребление, оптимально подходящее для мобильных устройств:
- программируемая периодичность снятия измерений и режим энергосбережения светодиодов;
- низкое энергопотребление электронной схемы (<1 мВт);
- сверхмалый ток потребления в выключенном состоянии (около 0,7 мкА).
- Возможность быстрого вывода данных:
- высокая частота дискретизации.
- Устойчивость к вибрациям при снятии показаний:
- высокий показатель соотношения сигнал/шум;
- Диапазон рабочих температур: -40…85°C.
MAX30102 может применяться в портативных медицинских приборах для использования в поликлиниках и дома, а также для контроля состояния организма в процессе занятий спортом.
Описание работы MAX30102
В корпусе MAX30102 реализована полнофункциональная схема сенсорного модуля для создания портативных систем пульсоксиметрии c высокими требованиями к точности измерений. Устройство имеет миниатюрные размеры, добиться которых удалось без ущерба для оптических или электрических характеристик. Для интеграции в полнофункциональную носимую измерительную систему потребуется минимум дополнительных внешних компонентов.
Управление работой MAX30102 осуществляется через внутренние программные регистры. Цифровые выходные данные могут быть сохранены в 32-битном буфере FIFO, который позволяет через общую шину последовательно передавать цифровой поток на внешний контроллер.
На рисунке 3 изображена структурная схема MAX30102 с внешним подключением через трехпроводной интерфейс. Система питания включает отдельные источники для основной схемы и для светодиодов. Назначение всех выводов описано в таблице 1.
Таблица 1. Назначение выводов MAX30102MAX30102
Вывод | Название | Функция |
1, 7, 8, 14 | – | Не используется. Подключить к изолированным площадкам платы |
2 | SCL | Вход тактовой частоты I2C |
3 | SDA | Двунаправленная передача данных I2C (открытый коллектор) |
4 | PGND | Общий вывод питания драйвера LED |
5 | R_DRV | Драйвер красного LED |
6 | IR_DRV | Драйвер ИК-LED |
9, 10 | VLED+ | Питание LED (подключение к аноду). Рекомендуется соединить через развязывающий конденсатор с PGND |
11 | VDD | Питание аналоговой и цифровой схемы. Рекомендуется соединить через развязывающий конденсатор с GND |
12 | GND | Общий вывод аналоговых и цифровых цепей |
13 | INT | Прерывание (активный низкий уровень, открытый коллектор). Подключение к внешнему источнику напряжения через подтягивающий резистор |
Подсистема измерения SpO2
Процентное содержание кислорода в крови в данном случае определяется неинвазивным методом через кожу (о чем свидетельствует обозначение «Sp»), как процентное отношение насыщенного кислородом гемоглобина (HbO2) к общему содержанию гемоглобина (HbO2 + RHb), определяемых с помощью фотодетектора, ИК и красного светодиода MAX30102.
Подсистема измерения SpO2 включает схему компенсации внешней засветки (КВЗ), сигма-дельта-АЦП и патентованный цифровой фильтр. КВЗ имеет внутреннюю схему блокировки сигнала для устранения внешней засветки и расширения эффективного динамического диапазона. АЦП программируется во всем диапазоне измерений 2…16 мкА. КВЗ позволяет блокировать сигнал внешней засветки величиной до 200 мкА.
Внутренний АЦП выполняет непрерывную дискретизацию, используя сигма-дельта-конвертор с 18-битным разрешением. Частота дискретизации АЦП 10,24 МГц. Скорость вывода данных АЦП программируется в диапазоне 50…3200 выборок в секунду.
Датчик температуры. В MAX30102 имеется встроенный датчик температуры для калибровки температурной зависимости подсистемы измерения SpO2. Датчик температуры имеет разрешение 0,0625°С.
Выходные данные MAX30102 сравнительно нечувствительны к длине волны ИК-светодиода, тогда как длина волны красного светодиода имеет решающее значение для правильной интерпретации результатов измерений. Используемый MAX30102 алгоритм для измерения SpO2 позволяет компенсировать ошибки, возникающие с изменением температуры окружающей среды.
Драйвер для управления встроенными светодиодами. MAX30102MAX30102 включает красный и ИК-светодиоды, управляемые с помощью внутренних драйверов LED, которые модулируют длительность импульсов и величину тока при измерении пульса и SpO2. Ток может меняться программным способом в диапазоне 0…50 мА, а длительность импульса может быть запрограммирована в диапазоне 69…411 мкс. При этом точность измерения и энергопотребление можно оптимизировать для конкретной ситуации.
Функция контроля дистанции до измеряемого объекта (Proximity). MAX30102MAX30102 использует функцию контроля присутствия (близости) пациента с целью сокращения излучения света и энергосбережения, когда возле датчика нет пальца пациента. После инициализации функций измерения пульса и SpO2 (через запись в регистр MODE) активизируется ИК-светодиод, ток через который определяется содержимым регистра PILOT_PA. Когда обнаруживается превышение порога IR ADC (устанавливается в регистре PROX_INT_THRESH), автоматически происходит переход в обычный режим измерения.
Чтобы вернуться в режим контроля присутствия, регистр MODE должен быть обновлен (даже если записываются те же самые значения). Функция контроля присутствия может быть отключена путем сброса бита PROXINTEN в 0. В данном случае сразу включается режим измерения пульса или SpO2.
Работа в режиме измерения SpO2
Внутренний буфер сохраняет данные до 32 измерений, так что внешнему процессору нет необходимости считывать показания после каждого измерения. Используемые для коррекции показаний данные о температуре снимаются один раз в секунду или даже реже. На рисунке 4 отображена последовательность событий в процессе измерения SpO2 и обмена данными, а в таблице 2 приведено их описание.
Таблица 2. Процессы измерений SpO2 и передачи данных
Событие | Описание | Комментарий |
1 | Активизация режима SpO2, инициализация измерения температуры | Команда записи через I2C устанавливает MODE [2 : 0] = 0x03. Также устанавливается бит TEMP_EN, чтобы инициализировать однократное измерение температуры. Устанавливается маска прерывания PPG_RDY |
2 | Завершение измерения температуры, генерация прерывания | Запуск прерывания TEMP_RDY, информирующего внешний процессор о готовности данных к чтению |
3 | Чтение данных температуры, очистка флага прерывания | – |
4 | Генерация прерывания при критическом наполнении буфера FIFO | Прерывание генерируется после достижения порога заполнения FIFO |
5 | Считывание данных FIFO, очистка флага прерывания | – |
6 | Сохранение данных следующего измерения | Новые измерения сохраняются по указателю расположения в FIFO |
Измерение частоты пульса
При измерении частоты пульса последовательность действий аналогична используемой при измерении SpO2, однако не требуется измерение температуры, а также, по усмотрению пользователя, выбирается только один канал измерений – красный или ИК.
Обмен данными
MAX30102 оснащен совместимым с шинами I2C и SMBus двухпроводным последовательным интерфейсом, включающим линию данных/адреса (SDA) и линию тактовых импульсов (SCL). MAX30102 может обмениваться данными на тактовой частоте до 400 кГц.
Ведущее устройство записывает данные в регистры MAX30102, выставляя на шине адрес, а вслед за ним – данные (рисунок 5). Каждый передаваемый по линии данных пакет обрамлен состояниями START (S) или REPEATED START (Sr) с одной стороны и состоянием STOP (P) с другой. 8-битные информационные посылки и сигналы подтверждения их приема (ACK – Acknowledge) синхронизируются импульсами, передаваемыми по шине SCL.
Линия SDA работает на прием и передачу, а SCL работает только как вход. Подтягивающие к шине питания резисторы обычно имеют номиналы более 500 Ом. Опционально в линии могут устанавливаться и последовательные резисторы, которые защитят цифровые входы MAX30102 от высоковольтных импульсов на шине и минимизируют перекрестные помехи.
На рисунке 6 представлена рекомендованная последовательность подачи питающих напряжений и инициализации интерфейса МАХ30102. Вначале подается питание на основную схему (VDD), а затем – на светодиоды (VLED+). Выводы шины I2C могут оставаться подключенными к внешнему источнику питания даже при отключении питания от остальной части MAX30102.
После установления необходимых уровней напряжения питания генерируется прерывание, чтобы сообщить внешнему процессору о готовности MAX30102 к выполнению операций. Флаг прерывания очищается после чтения из регистра прерываний. Последовательность отключения источников питания может быть любой.
Для упрощения разработки и ускорения процесса отладки новых приборов на основе MAX30102 компания Maxim Integrated предлагает оценочный комплект (EV) MAX30102, состоящий из двух плат. К материнской плате USBOSMB подключается плата расширения MAX30102DBEVKIT, которая включает MAX30102 и акселерометр (рисунок 7).
Заключение
В современной медицинской практике особое значение имеют контроль частоты сердечной деятельности и насыщения артериальной крови кислородом у пациентов. Новый датчик MAX30102 упрощает создание подобных приборов в удобном портативном варианте. Пульсоксиметры на основе MAX30102 обеспечивают высокую точность определения сатурации крови и частоты сердечных сокращений. При этом они отличаются высоким быстродействием, доступностью и простотой использования.
Литература
- https://www.maximintegrated.com/en/products/analog/sensors-and-sensor-interface/MAX30102.html.
- https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX30102.pdf.
- https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX30102ACCEVKIT.pdf.
Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.
Наши информационные каналы