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Messung der Herzfrequenz und des Sauerstoffgehalts im Blut mit tragbaren Geräten : Ausgabe 09/2016, 25.05.2016

Fitness-Tracker statt Hausarzt

Die Forderungen im heutigen Gesundheitsmarkt sind vielfältig und herausfordernd. Geräte, die früher nur in Krankenhäusern zum Einsatz kamen, finden sich heute zunehmend auch zu Hause. Und zudem wird die Fitnessüberwachung immer vielseitiger und anwendungsfreundlicher.

Autor: Zhang Feng und Marten Smith

Bilder: Microchip

Die Messung der Herzfrequenz und des Sauer- stoffgehalts im Blut lassen sich heute mit Consumer-Produkten durchführen. Die Messungen erfolgen durch Pulsoximeter, die als Heimmedizingeräte erhältlich sind, in einen Fitness-Tracker oder in eine Smartwatch integriert sind. Der folgende Beitrag beschreibt die Grundlagen der Pulsoximetrie für Medizin- und Fitnessanwendungen. Ein Designbeispiel demonstriert die Messung der Herzfrequenz und des Sauerstoffgehalts im Blut.

Verhältnis des sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Hämoglobins

Oximetrie ist die Messung der Sauerstoffsättigung im Blut und wird meist als Prozentwert angegeben. Ein Pulsoximeter ist ein nichtinvasives Gerät, das den Sauerstoffgehalt im Blut und die Herzfrequenz einer Person misst. Die Geräte lassen sich durch ihre Klemme erkennen, die am Finger eines Patienten angebracht wird. Ein Pulsoximeter kann ein eigenständiges Gerät, als Teil eines Patientenüberwachungssystems oder in einen tragbaren Fitness-Tracker (Wearable) integriert sein. Die Geräte werden von Krankenschwestern, Patienten zuhause, Fitnessbegeisterten und selbst von Piloten in Flugzeugen ohne Druckkabine verwendet. Der Sauerstoffgehalt des Blutes wird durch eine Hämoglobinunter­suchung gemessen. Dabei handelt es sich um das sauerstofftragende Pigment der roten Blutkörperchen, das ihnen die rote Farbe verleiht und dazu dient, Sauerstoff an das Gewebe zu leiten. Hämoglobin findet sich in zwei Formen: einmal als oxidiertes Hämoglobin (HbO2, d. h. mit Sauerstoff angereichert), und als Hämoglobin ohne Sauerstoff (Hb, d. h. sauerstoffarm).

Die Sauerstoffsättigung im Blut (SpO2) ist also das Verhältnis aus sauerstoffangereichertem und sauerstoffarmem Hämoglobin: SpO2=HbO2/(Hb + HbO2). Der Wert wird in Prozent angegeben und sollte üblicherweise bei 97 % oder höher liegen.

Das Pulsoximeter misst die Sauerstoff­sättigung im Blut und die Herzfrequenz

Interessant bei Hämoglobin ist, wie es Licht reflektiert und absorbiert. Hb absorbiert mehr sichtbares Rotlicht und reflektiert dieses damit weniger. HbO2 absorbiert mehr Infrarotlicht und reflektiert es weniger. Da sich die Sauerstoffsättigung im Blut durch den Vergleich zwischen Hb und HbO2 bestimmen lässt, kann durch eine rote LED und durch eine Infrarot-LED, die durch ein Körperteil wie einen Finger oder ein Handgelenk hindurchscheint, die entsprechende Lichtintensität ermittelt werden. Dabei werden zwei Messmethoden angewendet: Die Messung des Lichtanteils, der durch das Gewebe hindurchgelassen wird (transmissive Oximetrie) und die Messung des Lichtanteils, der vom Gewebe reflektiert wird (Reflexionsoximetrie).

Ein Beispiel für die transmissive Oximetrie findet sich in Krankenhäusern. Die meisten Patientenüberwachungssysteme verfügen dort über ein integriertes transmissives Pulsoximeter. Viele der neuen Highend-Wearables nutzen hingegen die Reflexionspulsoximetrie.

Beim Herzschlag wird Blut durch den Körper gepumpt und in Kapillaren gepresst, deren Volumen sich leicht erhöht. Zwischen den Herzschlägen nimmt dieses Volumen wieder ab. Diese Volumenänderung beeinflusst die Lichtmenge (Rotlicht oder Infrarotlicht), die durch das Gewebe hindurchgelassen wird. Obwohl diese Schwankungen sehr klein sind, lassen sie sich mit einem Pulsoximeter messen. Dabei kommt der gleiche Messaufbau wie bei der Messung des Sauerstoffgehalts im Blut zum Einsatz. Im Folgenden werden die einzelnen Bestandteile eines transmissiven Pulsoximeters näher beschrieben.

Die Messsonde und der LED-Treiberschaltkreis passen dazu

Die verwendete SpO2-Messsonde ist ein gängiger Fingerclip, der eine Rotlicht-LED, eine IR-LED und eine Fotodiode enthält. Die LEDs werden über den LED-Treiberkreis angesteuert. Das Rotlicht und IR-Licht wird durch den Finger gesendet, im Signalaufbereitungsschaltkreis erkannt und in das 12-Bit-ADC-Modul gespeist, das in den Digital Signal Controller (DSC) integriert ist. Dieser berechnet den Prozentwert für SpO2. Ein dualer, einpoliger Analogumschalter, angesteuert über zwei PWM-Signale des DSC, schaltet die Rotlicht- und IR-LED abwechselnd ein und aus. Um die richtige Anzahl von ADC-Abtastungen zu erhalten und noch genügend Zeit für die Datenverarbeitung zu haben, bevor die nächste LED eingeschaltet wird, werden die LEDs rechtzeitig ein- und ausgeschaltet. Der LED-Strom (Lichtintensität) wird über einen 12-Bit-D/A-Wandler (DAC) geregelt, der über den DSC angesteuert wird.

Zweistufige Signalaufbereitung

Der Signalaufbereitungskreis besteht aus zwei Stufen. Die erste ist der Transimpedanzverstärker, die zweite der Gain-Verstärker. Zwischen beiden Stufen befindet sich ein Hochpassfilter. Der Transimpedanzverstärker wandelt die von der Fotodiode erzeugten wenigen µA Strom in wenige mV um. Das vom Verstärker der ersten Stufe empfangene Signal wird dann durch einen Hochpassfilter geleitet, der Störungen durch Hintergrundlicht beseitigt. Der Ausgang des Hochpassfilters wird anschliessend an den Verstärker der zweiten Stufe geleitet – mit einer Verstärkung von 22 und einer DC-Offset-Spannung von 220 mV. Diese Werte sind genau ermittelt, um das Ausgangssignal des Gain-Verstärkers in den ADC-Bereich der MCU zu verlegen.

Der Ausgang des analogen Signalaufbereitungskreises ist mit dem integrierten 12-Bit-ADC-Modul des DSC verbunden. In unserem Beispiel kommt ein dsPIC DSC von Microchip Technology zum Einsatz. Der dsPIC33FJ128GP802 bietet nicht nur DSP-Funktionen, sondern auch Microchips Digitalfilter-Design­tool. Während jeder LED-Einschaltperiode erfolgt eine ADC-Abtastung, und während jeder LED-Ausschaltperiode ebenfalls eine weitere Abtastung. Aufgrund der Herausforderungen bei lichtbasierten Messungen durch menschliches Gewebe, wurde über das Filter-Designtool ein Digital-FIR-Bandpassfilter 513. Ordnung implementiert, über den die ADC-Daten gefiltert werden. Diese Daten wurden dann zur Berechnung der Pulsamplitude verwendet. Die Spezifikationen des verwendeten FIR-Bandpassfilters sind:

  • Abtastfrequenz (Hz): 500
  • Durchlassbereichwelligkeit (–dB): 0,1
  • Durchlassbereichfrequenz (Hz): 1 und 5
  • Sperrbereichwelligkeit (–dB): 50
  • Sperrbereichfrequenz (Hz): 0,05 und 25
  • Filterlänge: 513
  • FIR-Fenster: Kaiser

Fazit

Der Markt für alltagstaugliche Medizintechnik und Fitness-Wearables wächst rasant. Die Nachfrage nach Geräten, mit denen sich die Herzfrequenz und der Sauerstoffgehalt des Blutes messen lassen, wird in den nächsten Jahren weiter steigen. Pulsoximeter-Referenzdesigns, wie das beschriebene, sind für Entwickler dieser Geräte sehr hilfreich, da damit ihre Designs schneller in die Fertigung und somit auf den Markt gelangen. 

Infoservice

Microchip Technology Inc.
Karlsruher Strasse 91, DE-75179 Pforzheim
Tel. 0049 7231 424 750, Fax 0049 7231 424 7599
www.microchipdirect.com



Bei der Messung des Sauerstoffgehalts im Blut können zwei Oximetriemethoden angewendet werden


Beispiel einer Kalibrierkurve


Rotlicht- und Infrarot-(IR-)Pulssignale in Echtzeit – erfasst durch ein Oszilloskop

Autoren

Zhang Feng, Senior Medical Applications Engineer, und Marten Smith, Staff Medical Segment Engineer – beide von Medical Products Group, Microchip Technology

Pulsoximeter-Funktionsprinzip

Pulsoximeter überwachen die Sauerstoffsättigung (SpO2) im Blut durch die Absorption des Rotlichts (600 bis 750 nm Wellenlänge) und Infrarotlichts (850 bis 1000 nm Wellenlänge) im sauerstoffangereichertem Hämoglobin (HbO2) und im sauerstoffarmem Hämoglobin (Hb). Dabei wird Rotlicht und Infrarotlicht abwechselnd durch ein Körperteil (z. B. Finger) an eine Fotodiode gesendet. Die Fotodiode empfängt das nicht absorbierte Licht jeder LED. Dieses Signal wird über einen invertierenden Operationsverstärker (OPV) aufbereitet. Das Ergebnis repräsentiert die Lichtmenge, die durch den Finger absorbiert wurde. Die Pulsamplituden (Vpp) des Rotlicht- und Infrarotsignals werden gemessen und in die effektive Spannung Vrms umgewandelt, um ein Verhältnis bilden zu können: Verhältnis = (Rotlicht_AC_Vrms/Rotlicht_DC)/(IR_AC_Vrms/IR_DC)

Der SpO2-Wert lässt sich über das Verhältnis und eine Nachschlagetabelle (Look up Table) ermitteln, die auf empirischen Formeln basiert. Die Herzfrequenz wird auf Basis der A/D-Wandlerabtastungen und der Abtastrate berechnet. Die Nachschlagetabelle ist ein wichtiger Bestandteil eines Pulsoximeters. Sie ist speziell auf das jeweilige Pulsoximeter ausgelegt und basiert auf Kalibrierkurven, die man durch viele Messungen von Patienten mit verschiedenen SpO2-Werten gewonnen hat.