Integración óptica sin compromiso | Analog Devices

La fotopletismografía (PPG) es una tecnología habitual para medir la saturación de oxígeno (SPO₂) en la sangre. La luz se envía desde un emisor de luz al cuerpo, y la cantidad de luz reflejada o no absorbida se mide con un fotorreceptor. En función de la relación entre dos longitudes de onda, se puede medir la cantidad de hemoglobina oxigenada. También se utilizan tecnologías comparables para medir la frecuencia cardíaca con tecnología óptica o la variabilidad de la frecuencia cardíaca.

Todos estos sistemas requieren uno o varios fotoemisores, que deben ser controlados, y un fotodetector para medir la cantidad de fotocorriente como medida de la luz recibida. Esta señal recibida debe ser finalmente amplificada, acondicionada y digitalizada. Un sistema óptico de este tipo puede parecer sencillo; sin embargo, con la falta de conocimientos ópticos, es muy fácil recuperar una señal óptica que no tiene nada que ver con las señales que busca el usuario.

Para ayudar a las empresas a alcanzar sus objetivos ópticos, se ha introducido un nuevo módulo óptico totalmente integrado. Se ha probado y comparado con un sistema óptico discreto de probada eficacia con resultados extraordinarios. Lee más sobre los resultados y las metodologías de este ejercicio.

Teoría e introducción a la medición del PPG

Con una mayor atención a la salud, el bienestar y la prevención en el hogar, ha surgido un nuevo mercado en torno a los dispositivos inteligentes que controlan varios parámetros vitales. Al principio, esto comenzó con correas para el pecho, que controlaban la frecuencia cardíaca mediante tecnología biopotencial, pero en los últimos cinco u ocho años se ha producido un gran cambio hacia los sistemas ópticos, que utilizan la fotopletismografía (PPG). La gran ventaja de esta tecnología es que podemos medir en un solo punto del cuerpo, mientras que los sistemas biopotenciales requieren al menos dos electrodos que midan a través del corazón. Esto no es muy fácil de usar y por eso ha aumentado considerablemente el interés por la monitorización óptica de la frecuencia cardíaca (HRM) y la monitorización de la variabilidad de la frecuencia cardíaca (HRV).

Al diseñar un sistema como éste, hay que responder a varias preguntas. ¿Cuál es la aplicación final, en qué parte del cuerpo quieres medir y de cuánto tiempo dispones para desarrollar el sistema? En función de las respuestas a estas preguntas, el diseñador puede seguir un determinado camino de diseño.

Hay dos principios diferentes para medir la PPG. Se puede enviar luz a través de una parte del cuerpo, como un dedo o el lóbulo de la oreja, y medir la cantidad de luz recibida o no absorbida en el lado opuesto; o bien se envía la luz a través del mismo lado del cuerpo donde se mide la cantidad de luz reflejada. La medición por transmisión a través del cuerpo te proporciona entre 40 y 60 dB más de señal que un sistema reflectante; sin embargo, en un sistema reflectante eres libre de elegir dónde colocar el sensor.

Como la mayoría de los usuarios prefieren la comodidad del sensor al rendimiento, la medición por reflexión se ha hecho más popular. Por lo tanto, este artículo se centrará únicamente en la medición reflexiva.

Durante el tiempo que dura un latido, el flujo y el volumen de la sangre en el sistema cardíaco cambian, lo que provoca una dispersión de la cantidad de luz reflejada que se recibe. La longitud de onda de la fuente de luz utilizada para medir la HRM/VHR óptica depende no sólo del lugar del cuerpo en el que se mide, sino también del nivel relativo de perfusión, y de la temperatura y el tono del tejido. En general, para los dispositivos de muñeca, en los que las arterias no están situadas en la parte superior de la muñeca, hay que captar los componentes pulsátiles de las venas y los capilares justo por debajo de la superficie de la piel. En esta situación, la luz verde da los mejores resultados. En los lugares donde hay suficiente flujo sanguíneo, como la parte superior del brazo, la sien o el canal auditivo, la luz roja o infrarroja puede ser más eficaz, ya que penetra más profundamente en el tejido, dando una señal de recepción más fuerte

El ADPD188 es un cambio de juego

Cuando hay que hacer concesiones, como la posición del sensor y la longitud de onda del LED, hay que elegir la solución óptica más adecuada. Hay muchas opciones en cuanto a los frontales analógicos, ya sean de construcción discreta o totalmente integrados, pero también hay una amplia gama de fotodetectores y LEDs que se pueden seleccionar. Es esencial que el transmisor y el receptor se coloquen de forma que se obtenga la máxima cantidad de señal de recepción por cada miliamperio de corriente de transmisión utilizado. Se denomina relación de transferencia de corriente y suele indicarse en nA/mA. Lo que también es importante en un sistema óptico es el índice de modulación, que es la cantidad de señal ac en relación con el desplazamiento óptico dc. El índice de modulación mejora al aumentar la distancia entre el fotosensor y el LED. Hay un determinado punto dulce a lo largo de la distancia entre el fotosensor y los LEDs, y esto también depende de la longitud de onda de los LEDs. En un sistema mecánico mal diseñado, la luz de los LED puede llegar directamente al fotosensor sin haber penetrado en el tejido. Esto provoca un desplazamiento de corriente continua que tendrá un impacto negativo en el índice de modulación. Esto se manifiesta como una diafonía óptica, también conocida como contaminación lumínica interna (ILP).

Para minimizar el esfuerzo de diseño y acortar el tiempo de comercialización, especialmente para las empresas con mínimos conocimientos de óptica, ADI ha construido un subsistema óptico totalmente integrado para la medición de la reflexión. Se llama ADPD188GG y contiene todo lo necesario para realizar una medición óptica. La figura 2 muestra una imagen de este módulo.

El ADPD188GG es un módulo óptico de diseño totalmente nuevo, con dimensiones diferentes a las de las generaciones anteriores. El factor de forma es casi cuadrado, 3,98 mm por 5,0 mm, con un grosor total de 0,9 mm. La mayor mejora es el fotodetector, que está girado 90º en comparación con su predecesor. En comparación con los LED, esta posición del sensor ofrece una mayor sensibilidad. El fotodetector propiamente dicho se ha dividido en una zona de 0,4 mm² y 0,8 mm². Esto ofrece la posibilidad de aumentar el área total del fotodiodo para obtener más sensibilidad o utilizar un detector más pequeño para evitar la saturación del sensor. El fotodiodo se coloca encima del front-end analógico. ADI utiliza el AFE autónomo ADPD1080. Tiene cuatro canales de entrada, cada uno de ellos diseñado en torno a un amplificador de transimpedancia con ganancia seleccionable (25k, 50k, 100k y 200k), un bloque de rechazo de luz ambiental y un ADC SAR de 14 bits. El rechazo de la luz ambiental es en el dominio analógico y es magnífico en comparación con otras soluciones del mercado. Por último, los dos LED verdes están controlados por fuentes de corriente integradas, capaces de conducir corrientes de hasta 370 mA, y pulsos tan estrechos como 1 μs, para reducir la corriente media total. La carcasa está diseñada de forma que la luz LED transmitida apenas pueda llegar al fotosensor sin penetrar en el tejido. Esto evita la diafonía óptica y proporciona al usuario el mejor índice de modulación, incluso cuando el sensor se coloca bajo una ventana de cristal o plástico. Esta es una característica excelente cuando se diseña un sistema óptico reflectante. Para las aplicaciones en las que se prefiere la medición de la transmisión, el ADPD188GG puede utilizarse con los LEDs conectados externamente y con los LEDs internos puenteados.

Comparación con una solución probada

Antes de iniciar un nuevo diseño óptico, es importante determinar el mercado de destino y las especificaciones necesarias para el producto final. Un sistema óptico con prestaciones de grado médico suele tener especificaciones más elevadas que un dispositivo para el mercado del deporte y el bienestar.

El ADPD107 es un frontal óptico analógico diseñado para sistemas ópticos discretos. Se considera un estándar de oro entre los frontales ópticos del mercado, y debido a su buen rendimiento se utiliza en muchos productos médicos. DataSenseLabs Ltd. tiene una amplia experiencia con el ADPD107. Sin embargo, como un módulo óptico totalmente integrado tiene ventajas en algunos casos de uso, ha empezado a trabajar con ellos y ha realizado un análisis comparativo, comparando el rendimiento del ADPD107 con el del módulo óptico integrado ADPD188GG. En las siguientes secciones, aprenderás más sobre la instalación de la prueba, las configuraciones y los resultados.

Configuración de la prueba y recogida de datos

Para la comparación óptica, se registraron lecturas de PPG sin procesar, simultáneamente con el ADPD188GG y el ADPD107, durante un periodo de 2 minutos. Para la configuración del ADPD188GG se utilizó la placa de evaluación estándar, mientras que el ADPD107 formaba parte del sistema óptico de la plataforma de demostración portátil (EVAL-HCRWATCH). Ambos sistemas fueron controlados por las aplicaciones de interfaz de usuario de Analog Devices, el software wavetool.

Para la prueba, se optimizaron los parámetros de configuración para obtener la mejor calidad de señal posible. Mantuvimos la configuración de los AFE, incluidos los pulsos del LED, la temporización y la ganancia de transimpedancia dentro de un rango específico para conseguir el mismo consumo de energía en ambos sistemas y obtener una comparación justa (véase la Tabla 1).

La tabla 1 muestra la corriente del LED ADPD188GG, que es el doble de la corriente del LED de la solución ADPD107. La razón es que el área del fotodiodo de la solución integrada es menor que el área de la solución discreta, por lo que tuvimos que compensarlo. El hecho de tener dos LEDs, alimentados por una fuente de 3 V, añade 156 μW a la disipación total de energía, lo que es casi insignificante comparado con la disipación total de energía. Muestreamos el ADC a una frecuencia de 100 Hz, que es la habitual en un sistema portátil. Además, medimos con una frecuencia de muestreo de 500 Hz, que suele utilizarse en los sistemas con rendimiento clínico.

El registro de datos se realizó en las mismas circunstancias que un smartwatch o rastreador de fitness normal, con el sensor óptico fijado en la parte superior de la muñeca. Como las propiedades de microcirculación y vasoconstricción pueden ser ligeramente diferentes entre las capas subdérmicas de la mano dominante y la no dominante, se repitieron los registros en ambas muñecas mediante ambos sistemas ópticos. Los conjuntos de datos recogidos en las muñecas izquierda y derecha se analizaron cuidadosamente y se compararon para evitar cualquier influencia específica de la posición en la calidad de la señal. Los conjuntos de datos de PPG se registraron en 11 usuarios diferentes (sujetos) mientras estaban sentados y en las mismas condiciones de intensidad de luz ambiental.

Análisis de datos y estadísticas

Es muy importante adoptar un enfoque comparativo, porque la validación de la calidad de la señal no sólo implica el procesamiento de la señal, el análisis de datos y la estadística en las ciencias duras, sino también lo que esperan el mercado y el usuario final. Para tener éxito en el mercado de los wearables, necesitas casos de uso bien definidos y un objetivo claro de lo que quieres que consiga la señal óptica.

Los monitores ópticos de frecuencia cardíaca están muy vinculados a las aplicaciones de seguimiento del estado físico y del bienestar, pero hay muchos casos de uso en los que la tecnología óptica se encuentra en sistemas de grado médico. En un caso de uso médico, informático o de fitness, la precisión del algoritmo de detección de picos depende principalmente de la calidad de los datos brutos en torno al máximo local de la señal PPG. La detección precisa de los picos no es sólo el principio de la medición de la frecuencia cardíaca o de la VFC, sino que también es muy importante para la detección de la estimación de la presión arterial basada en la PPG. Por lo tanto, el diseñador debe elegir la plataforma de sensores que ofrezca la mejor calidad de señal física si las señales de PPG finalmente extraídas y calculadas han de servir para aplicaciones relacionadas con la salud. La configuración de la medición comparativa y el análisis de los datos se diseñó e implementó basándose en la patente de metrología de bioseñales (ID pendiente: P1900302) propiedad de János Pálhalmi.¹

Los resultados finales

Para apoyar un algoritmo de detección de picos, se pueden sustraer y filtrar fácilmente las fluctuaciones de la línea de base en los datos PPG brutos. Paralelamente, se necesita una alta calidad de señal alrededor de los picos en los datos brutos para extraer los resultados previstos, como se ha mencionado anteriormente. Por lo tanto, en este estudio nos hemos centrado en el análisis comparativo de las principales bandas de frecuencia alrededor de los picos de las señales de PPG medidas por el patrón oro ADPD107 y el nuevo módulo óptico integrado ADPD188GG. Los componentes principales de las señales no se han modificado, salvo las fluctuaciones muy lentas de la línea de base (<0,25 Hz) et des composantes haute fréquence (>40 Hz), que se han filtrado.

Se calculó la coherencia wavelet y las comparaciones correlativas para comparar la estabilidad de las dos señales en el rango de frecuencias más dominante. La figura 3 muestra patrones casi idénticos de los resultados de los dos sistemas de PPG en cuanto a las formas de onda individuales y sus medias.

Para continuar la comparación a nivel de datos profundos, se aplicaron dos métodos diferentes basados en la correlación. Se calcularon los coeficientes de correlación y los valores P (R, P) entre cada onda PPG sucesiva. También se comprobó otro tipo de variabilidad de la señal comparando cada forma de onda PPG individual con la media.

Sobre la base de las pruebas de correlación completa, podemos concluir que no fue posible observar ninguna diferencia significativa entre los dos sistemas de PPG comparados, ni a nivel de las formas de onda individuales ni a nivel de las formas de onda individuales con respecto a los promedios.

Las metodologías Wavelet son muy sensibles a las diferencias en bandas de frecuencia específicas. Por tanto, se calcularon las funciones de coherencia de ondícula para comparar las dos señales de PPG. Según los resultados analizados en el caso de los 11 sujetos, no se observaron diferencias significativas en el dominio de la frecuencia ni en el de la fase entre las dos señales (véase la figura 4).

Al desarrollar un nuevo producto, también puede ser útil examinar las bandas de frecuencia específicas que pueden extraerse de una señal determinada, para poder optimizar las especificaciones.

En esta prueba, se analizaron las propiedades estadísticas básicas de la coherencia de amplitud al cuadrado entre los dos sistemas de PPG comparados en todos los rangos de frecuencia relevantes, como se muestra en la figura 5. El espectro completo se dividió en seis rangos de frecuencia específicos para analizar la variabilidad de las similitudes entre las señales.

En los 11 sujetos, el valor de coherencia fue superior a 0,95 en todas las bandas de frecuencia alrededor del pico de las señales de PPG, lo que indica que hay un grado muy alto de similitud entre el patrón de oro y el ADPD188GG recién integrado.

Conclusión

El ADPD188GG es un módulo óptico totalmente integrado para medir la frecuencia cardíaca, la variabilidad de la frecuencia cardíaca y la saturación de oxígeno, y para controlar la estimación de la presión arterial en continuo. Como el módulo incluye la óptica y la electrónica en un paquete muy pequeño, ayuda al diseñador y a las empresas sin conocimientos de óptica a acortar su ciclo de diseño general. El módulo está optimizado para aplicaciones en las que se utiliza la metodología de medición por reflexión con longitudes de onda a 525 nm; sin embargo, también se pueden utilizar LEDs externos para medir a diferentes longitudes de onda o para medir según el principio de transmisión. Hemos demostrado que el sistema integrado no se limita a cumplir las especificaciones requeridas para diferentes casos de uso en sistemas extrahospitalarios o clínicos.

Para más información, visita analog.com/healthcare.

Referencias

¹János Pálhalmi. Patente de metrología de bioseñal, P1900302.