Пульсоксиметрія від Maxim: новий датчик MAX30102

1. Інтегральні датчики MAX30102
2. Опис роботи MAX30102
3. Підсистема вимірювання SpO2
4. Робота в режимі вимірювання SpO2
5. Вимірювання частоти пульсу
6. Обмін даними
7. висновок
8. література
9. Про компанію Maxim Integrated

Представлений на початку 2016 року компанією Maxim Integrated інтегрований сенсорний модуль MAX30102 дозволяє з мінімальними витратами реалізувати портативний і при цьому відрізняється високою точністю вимірювач пульсу і вмісту кисню в крові.

Датчики для вимірювання частоти серцевої діяльності і насичення артеріальної крові киснем вже давно знаходять широке застосування в медичних приладах різного призначення. Колись вони використовувалися виключно в складному стаціонарному обладнанні, а з появою нових спеціалізованих інтегральних схем з'явилася можливість створювати зручні портативні прилади - пульсоксиметри. Вони дозволяють відстежувати ступінь насичення артеріальної крові киснем (SpO2) і частоту серцевих скорочень (пульс).

Більш насичена киснем кров має більш яскравий відтінок червоного кольору. Зі зміною насиченості крові киснем (сатурації) змінюється ступінь поглинання і відображення променів червоного і інфрачервоного світла, спрямованих на капіляри. При цьому, проходячи через кров і тканини, світловий сигнал набуває пульсуючий характер під впливом мінливого обсягу кровоносних судин.

В основу методу пульсоксиметрии належить вимір ступеня поглинання гемоглобіном крові променів червоного і інфрачервоного світла. Гемоглобін служить свого роду фільтром, причому «колір» фільтра залежить від кількості кисню, пов'язаного з гемоглобіном або, іншими словами, від процентного вмісту кисню в крові. А «товщину» фільтра визначає пульсація артерій, що виникає при зміні в них кількості крові.

Використовуючи датчики червоного і інфрачервоного світла спільно з фотодетекторами, АЦП і системами обробки даних, можна контролювати вміст кисню в крові.

Методика пульсоксиметрии, що отримала повсюдне поширення в анестезіологічної практиці, характеризується поєднанням високої точності визначення сатурації кисню (одиниці відсотків) і високої швидкодії (оцінка проводиться в процесі декількох серцевих скорочень) з доступністю і простотою використання.

Пульсоксиметр має датчик, в якому знаходяться два джерела світла - 660 нм (червоний) і 940 нм (інфрачервоний). Фотодетектор реєструє рівень світла після поглинання частини потоку тканинами і компонентами крові, а мікропроцесор аналізує отримані результати і визначає насиченість крові киснем і частоту серцевих скорочень.

Інтегральні датчики MAX30102

MAX30102 є інтегральним сенсорним модулем, призначеним для спрощення розробки портативних медичних приладів контролю серцевого ритму і насиченості крові киснем. До складу цієї мікросхеми інтегровані світлодіоди (червоний і ІК) і фотоприймач, а також вбудовані оптичні елементи. Наявна в складі МАХ301002 електронна схема обробки сигналів характеризується низьким рівнем власного шуму і забезпечує придушення зовнішнього засвічення.

В процесі вимірювань використовується канал червоного і інфрачервоного світла з регульованою програмним чином інтенсивністю світіння і тривалістю сеансів вимірювання.

MAX30102 (рисунок 1) працює від джерела живлення напругою 1,8 В. Окремий джерело живлення 5,0 В потрібно для випромінювання вбудованих світлодіодів. Взаємодія з зовнішніми пристроями відбувається через стандартний інтерфейс I2C. Модуль MAX30102 може бути програмно переведений в режим очікування з практично нульовим струмом споживання, що дозволяє відмовитися від вимикача харчування.

На малюнку 2 представлено внутрішній устрій MAX30102 і можливості його взаємодії із зовнішнім середовищем.

Мал. 2. Принцип дії MAX 30102

Особливості MAX30102:

• Монітор серцевих скорочень і оксіметріческій біосенсори з працюючими на відображення вбудованими світлодіодами
• Мініатюрний (5,6х3,3х1,55 мм) модуль з 14 висновками:
  • інтегрована оптична система, що забезпечує надійний процес вимірювання.
• Наднизьким споживанням енергії, що оптимально підходить для мобільних пристроїв:
  • програмована періодичність зняття вимірів і режим енергозбереження світлодіодів;
  • низьке енергоспоживання електронної схеми (<1 мВт);
  • надмалих струм споживання в вимкненому стані (близько 0,7 мкА).
• Можливість швидкого виведення даних:
  • висока частота дискретизації.
• Стійкість до вібрацій при знятті показань:
  • високий показник співвідношення сигнал / шум;
• Діапазон робочих температур: -40 ... 85 ° C.

MAX30102 може застосовуватися в портативних медичних приладах для використання в поліклініках і вдома, а також для контролю стану організму в процесі занять спортом.

Опис роботи MAX30102

У корпусі MAX30102 реалізована повнофункціональна схема сенсорного модуля для створення портативних систем пульсоксиметрии c високими вимогами до точності вимірювань. Пристрій має мініатюрні розміри, домогтися яких вдалося без шкоди для оптичних або електричних характеристик. Для інтеграції в повнофункціональну переносну вимірювальну систему потрібно мінімум додаткових зовнішніх компонентів.

Управління роботою MAX30102 здійснюється через внутрішні програмні регістри. Цифрові вихідні дані можуть бути збережені в 32-бітному буфері FIFO, який дозволяє через загальну шину послідовно передавати цифровий потік на зовнішній контролер.

На малюнку 3 зображено структурну схему MAX30102 із зовнішнім підключенням через трехпроводной інтерфейс. Система харчування включає окремі джерела для основної схеми і для світлодіодів. Призначення всіх висновків описано в таблиці 1.

Мал. 3. Структурна схема MAX 30102

Таблиця 1. Призначення висновків MAX30102MAX30102

Висновок Назва Функція 1, 7, 8, 14 - Не використовується. Підключити до ізольованим майданчикам плати 2 SCL Вхід тактової частоти I2C 3 SDA Двунаправленная передача даних I2C (відкритий колектор) 4 PGND Загальний висновок харчування драйвера LED 5 R_DRV Драйвер червоного LED 6 IR_DRV Драйвер ІК-LED 9, 10 VLED + Харчування LED (підключення до анода) . Рекомендується з'єднати через розв'язують конденсатор з PGND 11 VDD Харчування аналогової і цифрової схеми. Рекомендується з'єднати через розв'язують конденсатор з GND 12 GND Загальний висновок аналогових і цифрових ланцюгів 13 INT Переривання (активний низький рівень, відкритий колектор). Підключення до зовнішнього джерела напруги через підтягаючий резистор

Підсистема вимірювання SpO2

Процентний вміст кисню в крові в даному випадку визначається неінвазивним методом через шкіру (про що свідчить позначення «Sp»), як процентне відношення насиченого киснем гемоглобіну (HbO2) до загального вмісту гемоглобіну (HbO2 + RHb), що визначаються за допомогою фотодетектора, ІК і червоного світлодіода MAX30102.

Підсистема вимірювання SpO2 включає схему компенсації зовнішнього засвічення (КВЗ), сигма-дельта-АЦП і патентований цифровий фільтр. КВЗ має внутрішню схему блокування сигналу для усунення зовнішнього засвічення і розширення ефективного динамічного діапазону. АЦП програмується у всьому діапазоні вимірювань 2 ... 16 мкА. КВЗ дозволяє блокувати сигнал зовнішнього засвічення величиною до 200 мкА.

Внутрішній АЦП виконує безперервну дискретизацию, використовуючи сигма-дельта-конвертор з 18-бітовим дозволом. Частота дискретизації АЦП 10,24 МГц. Швидкість виведення даних АЦП програмується в діапазоні 50 к ... 3200 вибірок в секунду.

Датчик температури. У MAX30102 є вбудований датчик температури для калібрування температурної залежності підсистеми вимірювання SpO2. Датчик температури має дозвіл 0,0625 ° С.

Вихідні дані MAX30102 порівняно нечутливі до довжини хвилі ІЧ-світлодіода, тоді як довжина хвилі червоного світлодіода має вирішальне значення для правильної інтерпретації результатів вимірювань. Використовуваний MAX30102 алгоритм для вимірювання SpO2 дозволяє компенсувати помилки, що виникають зі зміною температури навколишнього середовища.

Драйвер для управління вбудованими світлодіодами. MAX30102MAX30102 включає червоний і ІК-світлодіоди, керовані за допомогою внутрішніх драйверів LED, які модулюють тривалість імпульсів і величину струму при вимірюванні пульсу і SpO2. Струм може змінюватися програмним способом в діапазоні 0 ... 50 мА, а тривалість імпульсу може бути запрограмована в діапазоні 69 ... 411 мкс. При цьому точність вимірювання і енергоспоживання можна оптимізувати для конкретної ситуації.

Функція контролю дистанції до вимірюваного об'єкта (Proximity). MAX30102MAX30102 використовує функцію контролю присутності (близькості) пацієнта з метою скорочення випромінювання світла і енергозбереження, коли біля датчика немає пальця пацієнта. Після ініціалізації функцій вимірювання пульсу і SpO2 (через запис в регістр MODE) активізується інфрачервоний світлодіод, струм через який визначається вмістом регістра PILOT_PA. Коли виявляється перевищення порога IR ADC (встановлюється в регістрі PROX_INT_THRESH), автоматично відбувається перехід в звичайний режим вимірювання.

Щоб повернутися в режим контролю присутності, регістр MODE повинен бути оновлений (навіть якщо записуються ті ж самі значення). Функція контролю присутності можна зупинити, скидання біта PROXINTEN в 0. У даному випадку відразу включається режим вимірювання пульсу або SpO2.

Робота в режимі вимірювання SpO2

Внутрішній буфер зберігає дані до 32 вимірювань, так що зовнішньому процесору немає необхідності зчитувати показання після кожного вимірювання. Використовувані для корекції показань дані про температуру знімаються один раз в секунду або навіть рідше. На малюнку 4 відображена послідовність подій в процесі вимірювання SpO2 і обміну даними, а в таблиці 2 наведено їх опис.

Мал. 4. Діаграма вимірювання SpO2

Таблиця 2. Процеси вимірювань SpO2 і передачі даних

Подія Опис Коментар 1 Активізація режиму SpO2, ініціалізація вимірювання температури Команда записи через I2C встановлює MODE [2: 0] = 0x03. Також встановлюється біт TEMP_EN, щоб ініціалізувати одноразове вимірювання температури. Встановлюється маска переривання PPG_RDY 2 Завершення вимірювання температури, генерація переривання Запуск переривання TEMP_RDY, інформує зовнішній процесор про готовність даних до читання 3 Читання даних температури, очищення прапора переривання - 4 Генерація переривання при критичному наповненні буфера FIFO Переривання генерується після досягнення порогу заповнення FIFO 5 Зчитування даних FIFO, очищення прапора переривання - 6 Збереження даних наступного вимірювання Нові виміри зберігаються за вказівником розташування в FIFO

Вимірювання частоти пульсу

При вимірюванні частоти пульсу послідовність дій аналогічна використовуваної при вимірюванні SpO2, проте не потрібно вимірювати температуру, а також, за бажанням користувача, вибирається тільки один канал вимірювань - червоний або ІК.

Обмін даними

MAX30102 оснащений сумісним з шинами I2C і SMBus двопровідним послідовним інтерфейсом, що включає лінію даних / адреси (SDA) і лінію тактовихімпульсів (SCL). MAX30102 може обмінюватися даними на тактовій частоті до 400 кГц.

Провідний пристрій записує дані в регістри MAX30102, виставляючи на шині адресу, а слідом за ним - дані (малюнок 5). Кожен переданий по лінії даних пакет обрамлений станами START (S) або REPEATED START (Sr) з одного боку і станом STOP (P) з іншого. 8-бітові інформаційні посилки і сигнали підтвердження їх прийому (ACK - Acknowledge) синхронізуються імпульсами, що передаються по шині SCL.

Мал. 5. Обмін даними між MAX 30102 і зовнішнім процесором

Лінія SDA працює на прийом і передачу, а SCL працює тільки як вхід. Підтягують до шини харчування резистори зазвичай мають номінали більше 500 Ом. Опціонально в лінії можуть встановлюватися і послідовні резистори, які захистять цифрові входи MAX30102 від високовольтних імпульсів на шині і мінімізують перехресні перешкоди.

На малюнку 6 представлена ​​рекомендована послідовність подачі живлячої напруги і ініціалізації інтерфейсу МАХ30102. Спочатку підключений до джерела живлення на основну схему (VDD), а потім - на світлодіоди (VLED +). Висновки шини I2C можуть залишатися підключеними до зовнішнього джерела живлення навіть при відключенні харчування від решти MAX30102.

Мал. 6. Послідовність подачі напруги харчування на MAX 30102

Після встановлення необхідних рівнів напруги харчування генерується переривання, щоб повідомити зовнішньому процесору про готовність MAX30102 до виконання операцій. Прапор переривання очищається після читання з регістра переривань. Послідовність відключення джерел живлення може бути будь-хто.

Для спрощення розробки та прискорення процесу налагодження нових приладів на основі MAX30102 компанія Maxim Integrated пропонує оціночний комплект (EV) MAX30102, що складається з двох плат. До материнської плати USBOSMB підключається плата розширення MAX30102DBEVKIT, яка включає MAX30102 і акселерометр (малюнок 7).

Мал. 7. Вікно Windows-програми для оціночного комплекту

висновок

У сучасній медичній практиці особливе значення мають контроль частоти серцевої діяльності і насичення артеріальної крові киснем у пацієнтів. Новий датчик MAX30102 спрощує створення подібних приладів в зручному портативному варіанті. Пульсоксиметри на основі MAX30102 забезпечують високу точність визначення сатурації крові і частоти серцевих скорочень. При цьому вони відрізняються високою швидкодією, доступністю і простотою використання.

література

1. https://www.maximintegrated.com/en/products/analog/sensors-and-sensor-interface/MAX30102.html.
2. https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX30102.pdf.
3. https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX30102ACCEVKIT.pdf.

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

Про компанію Maxim Integrated

Компанія Maxim Integrated є одним з провідних розробників і виробників широкого спектра аналогових і цифро-аналогових інтегральних систем. Компанія була заснована в 1983 році в США, в місті Саннівейл (Sunnyvale), штат Каліфорнія, інженером Джеком Гіффорд (Jack Gifford) спільно з групою експертів зі створення мікроелектронних компонентів. На даний момент штаб-квартира компанії знаходиться в м Сан-Хосе (San Jose) (США, Каліфорнія), виробничі потужності (7 заводів) і ... читати далі