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Bild: iStock, Wundervisuals

Optischer Pulsmesser mit geringer Stromaufnahme Das Herz im Blick bei jedem Licht

16.05.2018

Wer gerne Sport treibt oder es vorhat, ist mit Fitness-Wearables gut beraten. Bevor diese Auskunft über Werte wie den Puls geben können, sind jedoch große Hürden zu meistern: Strom ist am Handgelenk nur begrenzt vorhanden und bei Bewegung in freier Natur werden Lichtsensoren schnell gestört. Moderne Optoelektronik lässt sich davon nicht beeindrucken.

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Optische Herzfrequenzmonitore messen den Herzschlag über Pulswellen mittels halbleiterbasierter, optischer Sensortechnologie. Dafür wird Licht von einer LED ausgestrahlt, das vom Zielobjekt reflektiert und mit einem Lichtempfänger – einer Photodiode oder einem Phototransistor – detektiert wird. Die Absorptionscharakteristiken von Hämoglobin im arteriellen Blut ermöglichen es, Veränderungen der Hämoglobinmenge und damit den Herzschlag zu bestimmen, indem die Lichtmenge über die Zeit gemessen wird. Nachdem das Problem der Fixierung des Sensors auf der Haut bewältigt wurde, setzten sich in den vergangenen Jahren zunehmend Reflexionssensoren mit grünem Licht in Fitnessarmbändern und Smart Watches durch. Mit seiner kleinen Eindringtiefe betrifft grünes Licht nur das Blut und nicht das Gewebe. Zusammen mit dem großen Absorptionskoeffizienten von Hämoglobin ist somit eine einfache Messung von Herzfrequenzsignalen mit einer großen pulsierenden Komponente möglich.

Speziell für Wearables hat Rohm seinen optischen Herzfrequenzsensor BH1790GLC optimiert. Wearables sind in Größe und Gewicht eingeschränkt, denn ihr Träger soll sich durch sie nicht gestört fühlen. Deshalb ist es schwer, die Batteriekapazität zu erhöhen. Der stromsparende Betrieb der tragbaren Assistenten wird immer wichtiger. In konventionellen Sensoren nimmt sowohl der LED-Treiberblock als auch das analoge Frontend (AFE) eine beträchtliche Menge an Strom auf. Dagegen erhöht der Rohm-Sensor die Empfindlichkeit des Empfängerblocks, um die Detektion der Herzfrequenz sogar bei niedrigen LED-Helligkeiten zu ermöglichen. Somit sinkt die Stromaufnahme des LED-Treibers. Außerdem integriert der Sensor den AFE-Block direkt in den Chip, wodurch sich die Stromaufnahme ebenfalls reduziert.

Wearables fasten Strom

Es gibt verschiedene Methoden, um die Empfindlichkeit des Lichtempfängerblocks zu erhöhen. Bei der konventionellen Technologie wird der Strom, der von der Photodiode erzeugt wird, mit einer Transimpedanzverstärkerschaltung in eine Spannung umgewandelt. Diese Schaltung besteht aus einem Verstärker und einem Widerstand. Trifft Licht auf die Photodiode, wird jedoch nur ein sehr kleiner Strom erzeugt. Also muss der Widerstand erhöht werden, um dadurch die Empfindlichkeit zu verbessern. Dabei entsteht Verstärkerrauschen und thermisches Rauschen durch den Widerstand.

Der BH1790GLC nutzt hingegen einen Ladungsverstärker um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen. Der Ladungsverstärker wandelt Strom in eine Spannung, indem ein Kondensator mit dem Strom der Photodiode für eine bestimmte Zeitdauer geladen wird. Das Rauschen wird dabei reduziert, da es durch die Ladezeit geglättet wird. Das ermöglicht Lichtdetektion mit niedrigem Rauschen und erhöht die Empfindlichkeit des Lichtempfängerblocks.

Im Ergebnis kann Licht sogar mit einem kleineren Lichtempfängerelement ausreichend detektiert werden, so dass eine Photodiode und ein AFE einfach auf einem einzelnen Chip untergebracht werden können. Die Fähigkeit, Pulswellen auch bei niedrigen Helligkeiten zu messen, reduziert die Stromaufnahme des Treiberblocks. Die Nutzung eines Ladungsverstärkers erlaubt dem
BH1790GLC, die Stromaufnahme gegenüber konventionellen Lösungen um 85 Prozent zu senken.

Umgebungslicht ignorieren

Neben der Stromaufnahme weisen Wearables eine weitere Besonderheit auf: Da sie oft im Freien genutzt werden, muss der Lichtsensor Störungen durch Umgebungslicht ignorieren können. Dazu gehören unter anderem Infrarotstrahlen (IR), die den Körper einfach durchdringen. Photodioden, die gewöhnliche Si-Substrate nutzen, sind in der Nähe des IR-Spektrums (850 nm) empfindlich, wodurch sie durch externe Lichtstörungen beeinflusst werden.

Der BH1790GLC integriert dagegen eine Photodiode mit einer Spitzenwellenlänge im grünen Frequenzband bei 530 nm. Dafür wird die Photodiode auf dem flachen Teil der Si-Oberfläche gebildet. Dabei wird die Eigenschaft genutzt, dass die Spitzenempfindlichkeit zur kürzeren Wellenlängen verschoben wird, je mehr der Abstand der Si-Oberfläche zum PN-Übergang schrumpft. Außerdem integriert der BH1790GLC zusätzlich zwei optische Filter auf dem Si-Substrat: einen Farbresist- und einen Mehrschichtfilter. Die Filter blockieren rote und IR Komponenten und lassen nur grüne Wellenlängen hindurch. Bei Herzfrequenzmessungen überlappen die Umgebungslichtanteile mit dem Pulssignal und verstärken so das Rauschen bei gewöhnlichen Photodioden, während der BH1790GLC die Effekte des Umgebungslichts minimiert. Die Detektion des Pulssignals erfolgt dadurch selbst im Sonnenlicht stabil.

Algorithmus gegen Störungen

Zur Demonstration testete Rohm ein Fitnessband mit Herzfrequenzmonitor, das den BH1790GLC nutzt. Der Pulssensorblock besteht aus einem Herzfrequenzsensor (ROHMs BH1790GLC), einer LED, einem Beschleunigungssensor und einem Mikrocontroller. Die externe Kommunikation erfolgt über ein Bluetooth-LE-Modul auf einer separaten Leiterplatte. Im Versuch zeigte sich, dass das Pulswellensignal je nach Messstelle stark variieren kann. Der Grund hierfür sind Unterschiede in der Dichte der Blutgefäße. Das Pulssignal ist an der Fingerspitze oder am Ohrläppchen vergleichsweise groß, aber am Handgelenk, wo Fitnessbänder und andere Monitore getragen werden, ist es meist klein. Da sich das Handgelenk bei Alltagsaktivitäten stark bewegt, ist auch der Einfluss der Körperbewegungen sehr groß. Aus diesen Gründen ist es schwer die Herzfrequenz kontinuierlich aus den am Handgelenk gemessenen Pulswellen zu berechnen.

Daher hat Rohm einen Algorithmus zur Berechnung der Herzfrequenz entwickelt, der mit Hilfe eines Beschleunigungssensors die Störungen aufgrund der Körperbewegung präzise aufheben kann. Da Störungen durch den Körper aus Veränderungen im Blutfluss und aus Positionsabweichungen durch Körperbewegungen entstehen, kann die Störkomponente mit dem Signal eines Beschleunigungssensors korreliert werden. Die Ausnutzung dieses Phänomens erlaubte es Rohm, einen Algorithmus zu erstellen, der die Störungen aus den Körperbewegungen mit dem Beschleunigungssensor entfernt und die Störungen im Herzfrequenzsignal behebt. Im Vergleich mit der Herzfrequenzmessung über einen Monitor und Elektroden am Körper ließ sich erkennen, dass die Demo mit Rohms Algorithmus dem Herzfrequenzmonitor sehr eng folgt.

Künftig Vitalparameter messen

Pulsometer werden meist für Geräte genutzt, die das Pulssignal ausgeben. Aber zurzeit werden Anwendungen entwickelt, die den Stress messen, indem Fluktuationen des Pulses und der Blutdruck mit Wellenformanalyse ausgewertet werden. Die Integration dieser Funktionen in Wearables soll es erlauben, basierend auf täglichen Änderungen des Körpers durch regelmäßige Überwachung Krankheitsanzeichen schon zu einem frühen Zeitpunkt feststellen zu können. Im Moment arbeitet Rohm auch an der Entwicklung eines Herzfrequenzsensors, der auch die Messung von biologischen, also vitalen, Informationen unterstützt.

Um Stressmessungen und Blutdruckinformationen aus einer Pulswelle zu gewinnen, muss die zeitliche Auflösung des Pulswellensignals erhöht werden. Rohm hat den Prototyp eines Herzfrequenzsensors vorgestellt, der die Abtastfrequenz auf 1024 Hz erhöht und das Pulssignal hochgenaue und hochaufgelöst detektiert. Zukünftig wird Rohm Algorithmen entwickeln, die den Stresslevel und den Blutdruck mit Hilfe dieses Herzfrequenzsensors berechnen. Zusätzlich zu dem Herzfrequenzsensor BH1790GLC entwickelt Rohm eine Vielzahl von Sensoren und Lösungen für die Messung von Vitalparametern, die in dem schnell wachsenden Wearable-
Markt größere Genauigkeit und niedrigere Leistungsaufnahme bieten.

Bildergalerie

  • Herzfrequenzsensoren für Wearables sollten nur über eine geringe Stromaufnahme verfügen.

    Bild: Rohm

  • Spektrale Charakteristik des Lichtempfängerblocks des BH1790GLC

    Bild: Rohm

  • Pulsraten-Messung während des Laufband-Trainings

    Bild: Rohm

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