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Herzfrequenz und Muskelsauerstoff: Exakte und zuverlässige Vitalmessungen

Maxim Integrated stellte mit dem MAX86141 eine alternative Methode zur optischen Erkennung von Herzfrequenz, Sauerstoffsättigung und Muskelsauerstoffsättigung in mobilen medizinischen Geräten und in Fitness-Trackern vor.

Maxim Integrated Bildquelle: © Maxim Integrated

Bei der optischen Ermittlung der Herzfrequenz in mobilen Medizin- und Fitnessgeräten kommt es auf Genauigkeit und Zuverlässigkeit in Kombination mit möglichst geringer Leistungsaufnahme und kompaktem Formfaktor an.

Freizeitsportler werden sich schon öfter die Frage gestellt haben, ob die Daten, die ihr Fitness-Tracker ermittelt und anzeigt, auch wirklich real und zuverlässig sind. Im Prinzip verhält es sich mit den Gadgets der Fitness-Begeisterten wie mit Fahrzeugen. In Abhängigkeit von den realen Umgebungs- und Belastungsprofilen vor Ort kann die Realität schon manchmal von den im Labor ermittelten Daten, etwa in Hinblick auf den Verbrauch eines Fahrzeugs, deutlich abweichen.

Basis der heute verwendeten Fitness-Tracker ist die Herzfrequenz-Erkennung. Sie stellt heute eine gängige Funktion in tragbaren Gesundheits- und Fitness-Geräten dar. Genutzt wird die Herzfequenzerkennung, weil sie als Vitalzeichen einen guten Indikator für die Herzfrequenzvariabilität (HRV) liefert. HRV wird unter anderem genutzt, um den Stresspegel, die Schlafqualität und das allgemeine Wohlbefinden eines Nutzers zu ermitteln.

Basis dieser Messtechnik ist die Photoplethysmografie (PPG). Ein PPG-Signal wird erzeugt, indem die Haut mit einer üblicherweise grünen LED beleuchtet wird. Eine Photodiode regis­triert die Veränderungen in der Intensität des reflektierten Lichts und erzeugt daraus Strom, proportional zur Menge des empfangenen Lichts. Schlägt das Herz wieder, ergibt sich daraus eine Amplitudenveränderung (AC-Signal). Im weiteren Schritt werden Umgebungsbedingungen mit berücksichtigt. Schließlich wird das erzeugte Stromsignal digitalisiert und an einen Mikroprozessor im Fitness-Tracker weitergeleitet, der einen Algorithmus zur Berechnung der Herzfrequenz nutzt.

Bei der genauen Ermittlung der Herzfrequenz mit Hilfe tragbarer Geräte gibt es nun zwei große Herausforderungen: die Variation der Lichtverhältnisse und die Bewegung des Trägers. Sich schnell ändernde Beleuchtungsbedingungen können Artefakte in der Messung erzeugen. Artefakte sind große Änderungen im empfangenen Signal, die das kleine AC-Signal effektiv maskieren, was zu Problemen des Mikrocontrollers bei der korrekten Berechnung der Pulsfrequenz führt. Tragbare Geräte müssen deshalb in der Lage sein, starke Lichtveränderungen kompensieren zu können, um Fehlmessungen zu vermeiden.

Maxim Integrated Bildquelle: © Maxim Integrated

Klassische Methode zur optischen Ermittlung der Herzfrequenz: die Photoplethysmografie, kurz PPG.

Über entsprechende Funktionen zur Kompensation von Umgebungslicht verfügen heute viele tragbare Medizin- und Fitness-Geräte. Die Größenordnungen und die Qualität dieser Funktionen variieren. Im Allgemeinen haben diese Geräte heute eine Unterdrückung von bis zu 55 dB (bei 120 Hz).

Eine ebenso große Herausforderung stellen die Bewegungen des Nutzers während des Trainings dar. Derzeit verfügbare Lösungen nutzen digitale Filterung, um Bewegungsartefakte zu kompensieren. Dies geschieht aber nicht immer erfolgreich. Eine weitere Herausforderung liegt im geforderten geringen Stromverbrauch dieser Geräte in Kombination mit einem kleinstmöglichen Formfaktor. Heutige Lösungen verwenden mehrere Photodioden-Detektoren, die mit hohen sequenziellen Frequenzen arbeiten. Der hohe Strombedarf solcher Lösungen von typischerweise mehr als 450 µW hat eine hohe Belastung der Batterie zur Folge.

Maxim Integrated begegnet den hier beschriebenen Herausforderungen für die Entwickler akkurater mobiler Medizin- und Fitnessgeräte mit einem Zweikanal-Ansatz in Form des optischen Pulsoximeters und Herzfrequenzsensors MAX86141. Er bietet eine alternative Lösung für die optische Erkennung der Herzfrequenz, der Sauerstoffsättigung (SpO2) und der Muskelsauerstoffsättigung (StO2).

Der Baustein verwendet zwei Photodiodendetektoren gleichzeitig statt sequenziell. Dies bietet zwei Vorteile: So hat das parallele Betreiben von zwei Kanälen einen geringeren Stromverbrauch zur Folge (184 µW bei 25 Samples), da die LEDs nur einmal eingeschaltet werden müssen.

Zudem ermöglicht der Einsatz von zwei Photodiodendetektoren die Erstellung von korrelierten Differenzsignalen. Dies ist eine neue Form der optischen Bewegungserkennung, bei der die Signale vom nachfolgenden Mikroprozessor mit einer verbesserten Bewegungskompensation verarbeitet werden. Der MAX86141 beinhaltet auch einen „Lattenzaun“-Algorithmus, der schnelle Veränderungen in der Umgebungsbeleuchtung, etwa durch Licht und Schatten, erkennt. Seine Ambient Range beträgt 100 µA, seine Ambient Rejection 84 dB bei 120 Hz. Untergebracht ist der Baustein in einem 2,048 × 1,848 × 0,4 mm3 großen WLP-Gehäuse, seine Leistungsaufnahme beträgt 120 µW.