Gleichzeitige PPG-/EKG-Messungen mit einem Wearable-Biosensormodul für FDA-zertifzierbare Kardiomessungen

Die Verbraucher wünschen sich Smartwatches, Gesundheitsbänder und andere batteriebetriebene Mobilgeräte, die immer exaktere Daten zu ihrer Fitness und zur kardialen Gesundheit liefern. Um diesen Erwartungen gerecht werden zu können, mussten sich die Entwickler mit komplexen, teuren und aus mehreren Komponenten bestehenden Lösungen auseinandersetzen. Diese liefern letztendlich zwar eine höhere Genauigkeit, bringen jedoch auch einen höheren Stromverbrauch, einen größeren Footprint sowie längere Entwicklungszeiten mit sich. Hier ist eine einfachere und elegantere Lösung gefragt.

Dieser Artikel stellt eine solche Lösung vor, die auf einem hoch integrierten Modul von Maxim Integrated basiert. Den Anfang macht eine kurze Einführung in die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der exakten Überwachung der Herzleistung. Anschließend wird gezeigt, wie Entwickler das Modul für FDA-zertifizierbare Herzfrequenzmessungen (während körperlicher Betätigung) sowie für EKG-Messungen (im Ruhezustand) einsetzen können.

Messung der Herzleistung

Gesundheitsdiensleister verlassen sich routinemäßig auf EKGs, um kurz vor invasiven Eingriffen möglichst detaillierte Daten zur kardialen Gesundheit zu erhalten. EKG-Geräte erfassen die Wellenformen, die von der Depolarisation und der Repolarisation des Herzmuskels während des Herzzyklus erzeugt werden (Abbildung 1). Der Prozess erfordert die Platzierung von 10 Elektroden an strategischen Positionen am Körper des Patienten. Diese werden dann in 12 Paaren, oder Ableitungen, zusammengefasst, die an verschiedenen Achsen von Signalverläufen ausgerichtet werden, die über das Volumen des Herzgewebes verteilt erzeugt werden.

Abbildung 1: Obwohl ein Elektrokardiogramm (EKG) mehr Details bietet, kann auch das einfachere Photoplethysmogramm (PPG) hilfreiche Informationen liefern, beispielsweise zum Auftreten von ventrikulären Extrasystolen (hier gezeigt). (Bildquelle: Wikipedia)

Beispielsweise kann eine auf dem Bein des Patienten angebrachte Elektrode mit einer weiteren Elektrode kombiniert werden, um eine Ableitung zu erhalten, die Details zur Depolarisationswelle durch den Ventrikel liefert, die abwärts durch das Herzgewebe verläuft. Medizinische 12-Kanal-EKG-Instrumente nutzen diesen Ansatz und kombinieren die Daten von verschiedenen Elektrodenpaaren, um die Wellenformen entlang der optimalen Achse zu messen, die jeder Phase des Herzzyklus zugeordnet ist.

Im Gegensatz dazu kommt bei den EKG-Messungen, die von Fitnessgeräten durchgeführt werden, üblicherweise nur ein Elektrodenpaar zum Einsatz, wodurch für diese Geräteklasse der Begriff „Einkanal-EKG“ geprägt wurde. Obwohl Einkanal-EKGs nicht die Details liefern können, die ein Kardiologe für eine umfassende Diagnose benötigt, können sie dennoch genügend Informationen zur Herzleistung bereitstellen, um Gesundheitsdiensleister auf mögliche Pathologien hinzuweisen, die eventuell ein 12-Kanal-EKG erforderlich machen, um eine exakte Diagnose stellen zu können.

In der Praxis kann der Einsatz von Einkanal-EKG-Messungen in einem Fitnessgerät besonders problematisch sein, da die Messungen durch jede stärkere Bewegung der Person problemlos verfälscht werden können. Jede Muskelbewegung resultiert in einer entsprechenden elektrischen Welle aufgrund der Depolarisation der Muskelfasern, die sich durch das leitfähige Gewebe fortpflanzt. Die Bewegung einer großen Muskelgruppe kann Biopotentiale erzeugen, von denen die von einer tieferliegenden Signalquelle wie etwa dem Herzmuskel ausgehenden Signale problemlos überlagert werden können. Für exakte EKG-Messungen darf sich die Person also nicht bewegen, sei es im Bett einer Gesundheitseinrichtung oder während einer Trainingseinheit.

Tatsächlich ist es so, dass Versuche, bei einer Person während des Trainings ein Einkanal-EKG durchzuführen, sehr wahrscheinlich scheitern werden. Aus diesem Grund setzen persönliche Fitnessgeräte, die während des Trainings Daten zur Herzfrequenz liefern, üblicherweise auf Methoden der Photoplethysmographie (PPG).

Die einfachste Form der PPG verwendet optische Sensoren zur Messung des relativen Unterschieds der Lichtreflexion (oder der Lichtabsorption), da jeder Pulsschlag das Volumen der Blutgefäße verändert. Obwohl die ersten kommerziellen Herzfrequenzmesser auf diesem einfachen Ansatz basierten, kommen in Fitnessgeräten heutzutage üblicherweise fortschrittlichere Formen der PPG zum Einsatz, mit denen die periphere Sauerstoffsättigung (SpO₂) gemessen wird. Auf diese Weise können die Benutzer ihre physiologische Reaktion auf körperliche Betätigung besser verstehen.

SpO₂-Messungen nutzen die unterschiedlichen Absorptionsspektren von sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Blut bei Beleuchtung mit roten und infraroten LEDs mit Emissionsspektren, die auf die zwei jeweiligen Zustände von Hämoglobin zentriert sind (siehe „Adding Heart-Rate Monitoring Functionality to Fitness Gear“). Obwohl bei der SpO₂ das Verhältnis zwischen den zwei Zuständen im Fokus steht, kann der Basiswert der Herzfrequenz aus denselben Daten extrahiert werden, indem die Spitze-zu-Spitze-Zykluszeit der gemessenen optischen Signale gemessen wird. Kommerzielle Pulsoximeter nutzen diesen Ansatz, um trotz Bewegung, Unterschieden bei den einzelnen Benutzern sowie weiteren Faktoren eine zuverlässige Messung der Herzfrequenz zu ermöglichen.

Obwohl optische Methoden auf PPG-Basis schon seit Jahren in Fitnessgeräten Anwendung finden, sind Einkanal-EKGs erst seit jüngerer Zeit in Verbraucherprodukten wie beispielsweise der Apple Watch anzutreffen. Getrieben vom Wettbewerbsdruck sehen sich die Hersteller von Fitnessarmbändern, Smartwatches sowie weiteren personenbezogenen elektronischen Geräten in zunehmendem Maße dazu gezwungen, dem Wunsch der Kunden nachzukommen und ihre Produkte sowohl mit PPG als auch mit Einkanal-EKG auszustatten.

Für die Entwickler ist jedoch bereits die Implementierung einer dieser Funktionen mit mehreren Schwierigkeiten verbunden. PPG-Designs mit zwei LEDs erfordern eine optimale Ansteuerung der roten und infraroten LEDs, die Erfassung des reflektierten oder absorbierten Lichts, die Synchronisierung der Ergebnisse und schließlich noch die Berechnung der Herzfrequenz und optional des SpO₂. Für Einkanal-EKG-Designs ist umfangreiches Fachwissen hinsichtlich analoger Signalpfade erforderlich, die verrauschte Signale im Zusammenhang mit jeglichen Messungen von aktiven Biopotentialen bewältigen können.

Ein noch grundlegenderes Problem besteht jedoch darin, dass die Leistungsanforderungen, die Designgröße sowie die erforderliche Teileanzahl für die Implementierung beider Designtypen und die Synchronisierung der Ergebnisse für die meisten batteriebetriebenen Mobilprodukte bereits absolut prohibitiv sein können. Um diese Probleme zu lösen, bietet Maxim Integrated mit dem Biosensormodul MAX86150 nahezu eine Drop-in-Lösung an, um jegliches Design mit Beschränkungen hinsichtlich des Stromverbrauchs sowohl mit einer PPG- als auch mit einer EKG-Funktion auszustatten.

Biosensormodul

Das speziell für tragbare Systeme entwickelte Modul MAX86150 kombiniert Subsysteme sowohl für PPG mit zwei LEDs als auch für EKG in einer einzelnen Komponente mit einer Größe von 3,3 mm x 6,6 mm x 1,3 mm. Für optische Messungen kombiniert das MAX86150 optische Eingangs-/Ausgangssignalpfade mit einer roten LED, einer infraroten LED sowie einer Photodiode, die sich hinter einer in das Gehäuse eingearbeiteten Glasabdeckung befinden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das PPG-Subsystem MAX86150 ermöglicht optische Fitnessmessungen, indem es alle erforderlichen Komponenten inklusive der Signalpfade für den LED-Ausgang und den Photodiodeneingang integriert. Des Weiteren sind die rote und die infrarote LED sowie die Photodiode hinter einer Glasabdeckung positioniert. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Für den PPG-Signalpfad integriert das Modul einen Schaltkreis zur Umgebungslichtkompensation (ALC, Ambient Light Cancellation), einen 19-Bit-Delta-Sigma-(ΔΣ)-Analog/Digital-Wandler (ADC) für kontinuierliches Oversampling und einen zeitdiskreten Filter zur weiteren Rauschunterdrückung. Innerhalb der ALC wird der dynamische Eingangsbereich von einem Digital/Analog-Wandler (DAC) durch Kompensation des Umgebungslichts verstärkt. Damit die Entwickler ein Gleichgewicht zwischen Leistungsaufnahme und Leistungsfähigkeit finden können, lassen sich die integrierten LED-Treiber der Komponente so programmieren, dass sie einen Strom von 0 Milliampere (mA) bis 100 mA sowie Stromimpulsbreiten zwischen 50 Mikrosekunden (μs) und 400 μs liefern.

Für eine noch höhere Stromersparnis können die Entwickler eine Näherungsfunktion aktivieren, mit der die Komponente zwischen den Messungen in einem Zustand mit niedrigerer Leistungsaufnahme verbleiben kann. In diesem Zustand steuert die Komponente die Infrarot-LED mit einem minimalen Leistungspegel an, der vom Entwickler einprogrammiert wurde. Sobald die Photodiode ein brauchbares Signal erfasst, das signalisiert, dass sich ein menschlicher Finger oder eine sonstige Hautoberfläche nähert, wird ein Interrupt erzeugt, woraufhin die Komponente wieder in ihren normalen Betriebszustand wechselt, um die Abtastung fortzusetzen.

Für EKG-Messungen integriert das MAX86150 einen vollständig differentiellen Signalpfad, für den lediglich zwei Trockenelektroden und einige wenige zusätzliche Komponenten erforderlich sind, um ein Einkanal-EKG zu implementieren (Abbildung 3). Wie bei allen Kleinsignalanwendungen können bei der Messgenauigkeit fortwährend Probleme durch Rauschquellen in der Umgebung auftreten. In einer Fitnessanwendung können die Wellenformen der zu messenden Herzströme nicht nur von den Biopotentialen im Zusammenhang mit Muskelbewegungen und anderen physiologischen Prozessen beeinträchtigt werden, sondern auch durch starke Interferenzen, die von externen HF-Quellen, der Leitungsfrequenz und elektrischem Rauschen verursacht werden.

Das EKG-Subsystem des MAX86150 setzt dem Signalrauschen bei EKG-Messungen eine ausgeklügelte Signalkette entgegen, die zur Unterdrückung von Gleichtaktsignalen entwickelt wurde.

Abbildung 3: Neben dem PPG-Subsystem umfasst das MAX86150 ein vollständiges Einkanal-EKG-Subsystem, für das lediglich zwei Trockenelektroden und wenige zusätzliche Komponenten benötigt werden, um einen Mikrocontroller mit EKG-Messdaten versorgen zu können. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Das integrierte analoge Front-End für EKG umfasst einen Chopper-Verstärker, Filter sowie einen Verstärker mit programmierbarer Verstärkung, mit dem das Signal-Rausch-Verhältnis der Wellenformen der Herzströme maximiert wird. Im Anschluss an diese Signalkette wird jede Abtastung von einem 18-Bit-ΔΣ-ADC gewandelt und jedes Ergebnis wird an den gemeinschaftlich genutzten FIFO für 32 Abtastungen weitergeleitet. Auf diese Weise müssen die Daten nicht kontinuierlich von einem Host-Mikrocontroller abgefragt werden.

Um den Stromverbrauch weiter zu senken und die Datenzugriffsanforderungen zu beschränken, können die Entwickler die Abtastraten des EKG- und des PPG-Subsystems von den maximal 3200 Abtastungen pro Sekunde (S/s) bis auf lediglich 200 S/s für das EKG- und 10 S/s für das PPG-Subsystem anpassen. Nichtsdestotrotz können Entwickler die Komponente in ausgeklügelten Anwendungen einsetzen, die gleichzeitige EKG- und PPG-/SpO₂-Messungen sowie eine Synchronisierung der Ergebnisse erfordern. Falls Entwickler diesen Ansatz unter Verwendung der unterschiedlichen minimalen Abtastraten der zwei Subsysteme anwenden müssen, lädt die Komponente einfach die letzte PPG-Abtastung in den FIFO und stellt beim nächsten Abtastzyklus des Subsystems neue PPG-Daten zur Verfügung.

Implementierung von Designs

Da die Kernfunktionen für EKG- und PPG-Messungen vom Modul integriert werden, sind für die Hardwareschnittstelle des MAX86150 lediglich zwei Trockenelektroden sowie einige wenige zusätzliche Komponenten zur Entkopplung und Pufferung erforderlich. Somit können Entwickler einen Mikrocontroller mit dem MAX86150 und seinen wenigen externen Komponenten verbinden, um ein ausgeklügeltes Messsystem für Biopotentiale zu implementieren (Abbildung 4). Mit dem Evaluierungssystem MAX86150EVSYS von Maxim Integrated können Entwickler diesen Schritt des Hardwaredesigns sogar überspringen, um rasch mit dem Experimentieren mit EKG-/PPG-Anwendungen zu beginnen.

Abbildung 4: Entwickler können das MAX86150 von Maxim Integrated mit einem Host-Mikrocontroller und nur einigen wenigen zusätzlichen Komponenten kombinieren, um ein mobiles Fitnessprodukt mit einer Lösung zur Messung der Herzleistung auszustatten. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Das sowohl als unmittelbar einsetzbare Anwendungsplattform als auch als Referenzdesign dienende Evaluierungssystem MAX86150EVSYS umfasst eine MAX86150-Karte, eine MAX32630FTHR-Karte sowie einen Lithium-Polymer-Akku mit 500 Milliamperestunden (mAh) (Abbildung 5). Neben dem MAX86150-Modul bietet die MAX86150-Karte zwei Trockenelektroden aus Edelstahl sowie die bereits zuvor genannten zusätzlichen Komponenten.

Die über Steckleisten angeschlossene MAX32630FTHR-Karte bietet ein vollständiges, Bluetooth-fähiges System, das um den Mikrocontroller MAX32630 von Maxim Integrated herum aufgebaut ist. Außerdem übernimmt die Karte das Aufladen und das Leistungsmanagement für den enthaltenen Akkusatz.

Abbildung 5: Mit dem Evaluierungssystem MAX86150EVSYS von Maxim Integrated können Entwickler im Handumdrehen mit der Evaluierung von Methoden zur Messung der Herzleistung beginnen. Dieses System setzt sich zusammen aus einer MAX86150-Karte (links) inklusive Trockenelektroden, einer auf dem Mikrocontroller MAX2630 basierenden Entwicklungskarte MAX32630FTHR und einem Akkusatz. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Auf der MAX32630FTHR-Karte dieses sofort einsetzbaren Evaluierungssystems ist die Firmware für eine einfache MAX86150-Anwendung bereits vorinstalliert, sodass Entwickler umgehend mit EKG- und PPG-Messungen experimentieren können. Hierfür müssen sie den Kartensatz lediglich über Bluetooth mit einem Windows-PC verbinden und die auf Windows basierende grafische Benutzeroberfläche der Evaluierungskit-Software von Maxim Integrated für das MAX86150EVSYS-Kit starten. Dieses GUI-Paket zeigt EKG- und PPG-Daten vom MAX86150 an und gestattet den Entwicklern die bequeme Änderung von Komponenteneinstellungen, um die Auswirkungen auf die Leistung zu untersuchen (Abbildung 6).

Abbildung 6: Mit der Software von Maxim Integrated für das Evaluierungssystem MAX86150EVSYS können Entwickler problemlos die mit dem MAX86150 durchgeführten EKG- und PPG-Messungen untersuchen. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Für Entwickler, die mit der Erstellung kundenspezifischer Anwendungen beginnen möchten, bietet das MAX86150-Treiberpaket den Quellcode für wichtige Komponentenfunktionen. Neben seiner Funktionalität demonstriert das Treiberpaket einen Ansatz zur Verwendung des FIFO der Komponente, um die Leistungsaufnahme zu minimieren, indem die Zeitspanne verkürzt wird, während der sich der Host-Prozessor im aktiven Zustand befinden muss. Dieser Ansatz beruht im Wesentlichen darauf, dass sich die Software auf zwei Interrupt-Handler verlässt, um auf Komponentenereignisse zu reagieren und zu handeln, wenn abgetastete Daten verfügbar sind.

Der Interrupt-gesteuerte Ansatz beginnt mit der Initialisierungsroutine. Hierbei wird ein IRQ (Interrupt Request) der Komponente registriert, und zwar max86xxx_irq_handler(). Bei einem Interrupt-Ereignis prüft dieser Handler auf verfügbare Komponentendaten, ruft gegebenenfalls einen separaten FIFO-Handler (max86xxx_fifo_irq_handler()) und führt wichtige Servicefunktionen durch. Unter anderem werden dabei die Matrizentemperatur der Komponente und der VDD-Pegel überprüft (Listing 1).

Kopieren
int max86xxx_irq_handler(void* cbdata)
{
    struct max86xxx_dev *sd = max86xxx_get_device_data();
    int ret;
    union int_status status;
 
    status.val[0] = MAX86XXX_REG_INT_STATUS1;
    ret = max86xxx_read_reg(status.val, 2);
    if (ret < 0) {
        printf("I2C Communication error. err: %d. %s:%d\n",
            ret, __func__, __LINE__);
        return -EIO;
    }
 
    if (status.a_full || status.ppg_rdy
        || status.ecg_imp_rdy || status.prox_int) {
        max86xxx_fifo_irq_handler(sd);
    }
 
    if (status.die_temp_rdy)
        max86xxx_read_die_temp(sd);
 
    if (status.vdd_oor) {
        sd->vdd_oor_cnt++;
        printf("VDD Out of range cnt: %d\n", sd->vdd_oor_cnt);
    }
 
    return 0;
}

Listing 1: Dieses Snippet aus dem MAX86150-Treiberpaket von Maxim Integrated zeigt, wie der IRQ einer Komponente die Verarbeitung minimieren kann, indem er nur dann einen separaten FIFO-Handler aufruft, wenn Abtastungen verfügbar sind oder wenn ein Ereignis wie beispielsweise ein Näherungs-Interrupt auftritt. (Codequelle: Maxim Integrated)

Wenn der FIFO-Handler durch den IRQ der Komponente aufgerufen wird, führt er die erforderlichen Low-Level-Operationen aus, um die im FIFO-Puffer des 86150 gespeicherten Sensormesswerte wieder zusammenzusetzen. Hierfür geht der Handler die im FIFO-Puffer verfügbaren Abtastungen zyklisch durch und setzt die drei Byte wieder zusammen, die zur Speicherung von Daten vom 18-Bit-ADC des EKG-Kanals und vom 19-Bit-ADC des PPG-Kanals verwendet werden (Listing 2).

Kopieren
void max86xxx_fifo_irq_handler(struct max86xxx_dev *sd)
{
   . . .
    num_samples = max86xxx_get_num_samples_in_fifo(sd);
   . . .
    num_channel = max86xxx_get_fifo_settings(sd, &fd_settings);
   . . .
    num_bytes = num_channel * num_samples * NUM_BYTES_PER_SAMPLE;
    fifo_buf[0] = MAX86XXX_REG_FIFO_DATA;
    ret = max86xxx_read_reg(fifo_buf, num_bytes);
   . . .
    fifo_mode = max86xxx_get_sensor_mode(sd, fd_settings, num_channel);
   . . .
    sensor = get_sensor_ptr(sd, fifo_mode);
    for (i = 0; i < num_samples; i++) {
        offset1 = i * NUM_BYTES_PER_SAMPLE * num_channel;
        offset2 = 0;
 
        for (j = 0; j < MAX_FIFO_SLOT_NUM; j++) {
            tmp_fd = (fd_settings >> (4 * j)) & 0x000F;
            if (tmp_fd) {
                index = offset1 + offset2;
                tmp = ((int)fifo_buf[index + 0] << 16)
                        | ((int)fifo_buf[index + 1] << 8)
                        | ((int)fifo_buf[index + 2]);
 
                samples[tmp_fd] = tmp;
 
                max86xxx_preprocess_data(&samples[tmp_fd], 1);
                offset2 += NUM_BYTES_PER_SAMPLE;
            }
        }
   . . .
            sensor->report(sensor, samples);
   . . .
    }
 
    if (sensor->update)
        sensor->update(sensor);
 
    return;
   . . .

Listing 2: Dieses Snippet aus dem MAX86150-Treiberpaket von Maxim Integrated zeigt die Verwendung eines FIFO-Handlers, um abgetastete Daten aus dem FIFO des MAX86150 zu extrahieren, in dem jede Abtastung in einem aus drei Byte bestehenden Format gespeichert wird. (Codequelle: Maxim Integrated)

Fazit

Neben der PPG-basierten Herzfrequenzmessung hat sich das Einkanal-EKG zu einer Funktion entwickelt, die immer häufiger in Smartwatches, Fitnessbänder und anderen Mobilgeräte integriert werden muss. Umsetzbare, exakte und stromsparende Implementierungen von PPG- und EKG-Messungen in Wearables gestalten sich jedoch nach wie vor schwierig.

Mit seinen integrierten PPG- und EKG-Subsystemen stellt das Biopotential-Sensormodul 86150 von Maxim Integrated eine effektive Lösung dar. In Kombination mit einer MCU ermöglicht das Modul Entwicklern die rasche Realisierung mobiler Gesundheits- und Fitnessprodukte, die detaillierte Daten zur Herzleistung bereitstellen können.