Пульсоксиметрия от Maxim: новый датчик MAX30102

18 августа 2016

медицина потребительская электроника лабораторные приборы Maxim Integrated статья

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.

а)	б)
Рис. 1. MAX 30102MAX 30102 (а) в составе пульсоксиметра (б)

На рисунке 2 представлено внутреннее устройство MAX30102 и возможности его взаимодействия с внешней средой.

Рис. 2. Принцип действия MAX 30102

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.

Рис. 3. Структурная схема MAX 30102

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.

Рис. 4. Диаграмма измерения SpO2

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.

Рис. 5. Обмен данными между MAX 30102 и внешним процессором

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.

Рис. 6. Последовательность подачи напряжения питания на MAX 30102

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).

Рис. 7. Окно Windows-программы для оценочного комплекта

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.

•••