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Die LED und die Fotodiode(n) extern anzuordnen hat mehrere Vorteile. So können die Zahl und Farbe der LEDs sowie ihre Stromstärke, speziell aber auch der optimale Abstand zwischen LEDs und Fotodiode, gewählt werden, um den Modulationsindex zu maximieren (durch diesen ergibt sich das AC/DC-Verhältnis und somit die Qualität des reflektierten Signals). Außerdem lässt sich bei einer externen Anordnung der LEDs und Fotodiode(n) die Größe der Fotodiode(n) wählen (je breiter die Fotodiode, desto höher wird der Modulationsindex) und möglicherweise eine Erweiterung um einen Stromverstärker mit sehr niedrigem Rauschen und geringem Energieverbrauch vornehmen.

Aus der Art der Messung (Herzfrequenz, SpO2) und der Messstelle auf der Haut ergibt sich die Farbe der LEDs. Um die Herzfrequenz am Handgelenk zu messen, wählt man grüne LEDs, da die Hämoglobin-Absorption bei Wellenlängen von 500 bis 600 nm am größten ist. Wenn das Herz schlägt ist der Blutfluss am Handgelenk und somit die Absorption von grünem Licht ausgezeichnet. Zwischen den Herzschlägen sinkt sie. Indem man grüne LEDs hunderte Male pro Sekunde blinken lässt, kann der ADPD103 die Zahl der Herzschläge pro Minute – die Herzfrequenz – berechnen. Es ist empfehlenswert, die grüne LED im Abstand von 3 cm oder mehr von der Fotodiode anzuordnen, um den Modulationsindex zu erhöhen (Bild 1).

Um die arterielle Sauerstoffsättigung, auch SpO2 genannt, zu ermitteln (Pulsoximetrie), wählt man eine rote und eine Infrarot-LED. In diesem Fall erfolgt die Messung am Finger, da dort eine starke Kapillarkonzentration vorhanden ist. Die Pulsoximetrie ist eine nichtinvasive Methode, um die Atemfunktion eines Patienten schnell zu ermitteln.

Aus dem Verhältnis von rotem und infrarotem Licht durch die Fotodiode lässt sich der prozentuale Anteil von sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Hämoglobin im Blut ermitteln. Oximetrie basiert auf der Messung der Lichtabsorption von Hämoglobin in Blutkapillaren und speziell auf dem Verhältnis aus Oxyhämoglobin (sauerstoffreiches Hämoglobin) und Deoxyhämoglobin (sauerstoffarmes Hämoglobin) jeder roten Blutzelle. Ein SpO2 von 98% bedeutet, dass jede rote Blutzelle 98% Oxyhämoglobin und 2% Deoxyhämoglobin enthält.

Analog Devices bietet Modullösungen (Analog-Frontend, Fotodiode und LED im gleichen Gehäuse) für Applikationen mit begrenzter Oberfläche an, die ohne eine zu große Optimierung der optischen Messung auskommen. So ermöglicht der ADPD142, der eine rote und eine IR-LED enthält, SpO2-Messungen am Finger. Sein Nachfolger, der ADPD144, bietet ein verbessertes mechanisches Design, das die interne Lichtverschmutzung reduziert. Unter Lichtverschmutzung versteht man hier das direkte Licht zwischen LED und Fotodiode. Der ADPD144 arbeitet mit einem durchschnittlichen Messfehler von 2,6% über 24.425 Sample-Messungen und ist damit FDA-konform. Der ADPD144 hat eine Grundfläche von 5 mm x 2,8 mm und eine Bauhöhe von 1,35 mm.

Wie oben erwähnt, muss zwischen LED und Fotodiode ein minimaler Abstand vorhanden sein, um den Modulationsindex und damit die Qualität des gemessenen Signals zu maximieren. In einem Modul mit begrenztem Platzangebot kann dieser Abstand eventuell nicht optimal sein. Für Anwendungen wie beispielsweise Sportuhren, die zusätzliche Anforderungen hinsichtlich Bewegung, Schwitzen und Verrutschen des Kontaktes zwischen Uhr und Haut stellen, empfiehlt Analog Devices Lösungen mit externen LEDs und Fotodioden am Frontend.

Auf der Softwareseite bietet Analog Devices Treiber für die Beschleunigungssensoren und die fotometrischen Sensoren an. Auf der CES hat das Unternehmen seinen eigenen Algorithmus zum Kompensieren von Bewegungen vorgestellt, der auf einem Cortex M3 Core läuft. Der ADuCM3027 benötigt nur 1,5 MIPS für 13 KByte ROM und 7,8 KByte RAM. Bisher waren für diese Art Algorithmus noch Floating-Point-Berechnungen und somit eine energiehungrigere, teurere Cortex-M4-CPU erforderlich.

Zu beachten ist, dass Hautfarbe und Tätowierungen die Qualität des gemessenen reflektierten Signals beeinträchtigen. Es ist daher empfehlenswert, die Lösung nicht auf einer Tätowierung zu platzieren. Bei Menschen mit dunkler Hautfarbe reduziert sich der Modulationsindex leicht. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit zur Optimierung des optischen Designs der Lösung.

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