Präzisere Vitalparameter mit besseren Photodioden und Sensoren

Fitnessarmbändern und Smartwatches sollen Vitalparameter wie Pulsfrequenz oder der Blutdruck möglichst genau messen. Dazu benötigen sie präzise Photodioden und Sensoren.

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OSRAM Opto Semiconductors GmbH

Fitnessarmbänder und Smartwatches liefern immer mehr Informationen über die zu überwachenden Vitalwerte. Je besser die Messungen, desto mehr Kennwerte lassen sich aus ihnen ableiten. Die Grundlage für möglichst präzise Messwerte legen Entwickler bereits beim Entwurf von Sensor und Gesamtsystem. Denn egal ob Fitnessarmbänder oder Smartwatches: Sie zählen nicht nur Schritte und Kalorien oder messen den Puls; jetzt stehen auch Parameter wie Sauerstoffaufnahme oder Stressbeobachtung und Entspannung auf dem Programm.

Hintergrund: Die Ergebnisse der Herzmessung sind genauer geworden. Über einen längeren Zeitraum werden die Werte erfasst und die Veränderungen aufgezeigt. Dabei ist die Herzfrequenzvariabilität oder auch Heart Rate Variability (HRV) eine wichtige Größe für das allgemeine Wohlbefinden. Mit dem Parameter lässt sich zeigen, ob und wie stark eine Person gestresst ist und wie schnell sie sich wieder beruhigt. Aus der HRV lässt sich ebenfalls ableiten, wie belastend das sportliche Training war und wie lange die anschließende Erholungspause sein sollte. Grundlage für die Berechnungen innerhalb der Apps sind hochpräzise Messwerte.

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Puls- und Herzfrequenz lassen sich optisch messen

Die Photoplethysmographie, kurz PPG, oder optische Herzfrequenzmessung nutzt aus, dass das im Blut enthaltene Hämoglobin Licht absorbiert. Weil sich die Blutmenge in den Arterien mit dem Herzzyklus ändert, verändert sich auch das Messsignal in diesem Rhythmus (Bild 1). In der Praxis sitzt der Sensor auf der Haut. Er besteht aus einer Lichtquelle und einem Detektor. Das eingestrahlte Licht durchdringt Gewebe sowie Blutgefäße und wird absorbiert, transmittiert und zum Detektor reflektiert (Bild 2). Der Detektor liefert ein elektrisches Signal, dessen Höhe der registrierten Lichtmenge entspricht. Aus der Periodizität des Signals ergibt sich der Puls. Die meisten Wearables messen den Puls mithilfe von optischen Sensoren am Handgelenk.

Ähnliche Messverfahren sind seit Jahren in der Medizin im Einsatz. Heute ist es mit speziellen LEDs, Detektoren oder integrierten Sensorlösungen möglich, miniaturisierte optische Pulssensoren zu entwickeln und einzusetzen. Damit begann der Einzug der Technik in die sogenannten Smartwatches und Fitnessarmbändern. Für die entsprechende Qualität der gewonnenen Sensordaten helfen ausgefeilte Algorithmen, welche die analogen Messsignale auswerten und die Zielgröße von Störfaktoren bereinigen.

Mit dem Design des Sensors sowie des Gesamtsystems legen die Entwickler eine wichtige Grundlage für die Präzision der analogen Messsignale. Ein optischer Sensor, der Puls, Herzfrequenz und Blutsauerstoff misst, besteht aus einer oder mehreren LEDs, einem Detektor, einer LED-Ansteuerung sowie einem A/D-Wandler für das Detektorsignal.

Für den Einsatz in Wearables oder Smartphones kommt hinzu, dass bei den tragbaren Geräten ein möglichst niedriger Energieverbrauch für lange Batterielaufzeiten und eine geringe Bauteilgröße vorausgesetzt werden. Bei der Auswahl der LED muss neben der Effizienz vor allem das erforderliche Emissionsspektrum beachtet werden. Die Lichtabsorption von Blut ändert sich sehr stark über die Wellenlänge, sodass konsistente Ergebnisse für Messungen der Sauerstoffsättigung im Blut (SPO2) beispielsweise nur mit sehr schmalbandig abstrahlenden LEDs erzielt werden können.

Die genannten Anforderungen waren in der Vergangenheit eine der Hürden, um PPG (Pulsoxymetrie) aus der Medizin auf Endkunden-Anwendungen zu übertragen, denn effiziente LEDs zeigten meist ein relativ breites Emissionsspektrum. Erst die Entwicklung der Dünnfilm-Chiptechnik hat es ermöglicht, hocheffiziente LEDs mit engen spektralen Bandbreiten von etwa 30 nm zu realisieren. Die Dünnfilm-Chiptechnik sorgt zudem für eine hohe Systemeffizienz, denn Dünnfilm-LEDs strahlen fast das gesamte Licht nach oben ab, sodass es nahezu komplett für die Anwendung verwertet wird. Das Design muss außerdem sicherstellen, dass die Wellenlänge während der einzelnen Messung trotz der Erwärmung des Chips stabil bleibt. Neben einer guten Temperaturstabilität der LED sind kurze Pulse ein gutes Mittel, um die Wellenlänge konstant zu halten.

Verschiedene Wellenlängen hängen von der Messart ab

Je nach Algorithmus eignen sich beispielsweise Pulslängen von weniger als 0,3 ms mit einer Wiederholrate von etwa zwei Millisekunden. Die Wahl der Wellenlänge hängt von der geplanten Messung ab. Für Sensoren am Handgelenk eignen sich grüne LEDs mit etwa 530 nm, am Finger wird mit rot und 660 nm oder infrarot mit 940 nm gemessen. Die LEDs sind in verschiedenen diskreten Bauformen verfügbar. Bei Pulssensoren reicht die Messung mit einer Wellenlänge – am Handgelenk wird typischerweise grün verwendet. Damit die Blutsauerstoffsättigung gemessen werden kann, misst man abwechselnd mit rotem und infrarotem Licht, da der SPO2-Wert aus der Differenz abgeleitet werden kann.

Maßgeblich für den Detektor sind eine hohe Linearität, sehr gute Empfindlichkeit und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis. Die Linearität ist besonders wichtig für die Blutsauerstoffmessung, weil hier die absoluten Photostromwerte in I_min und I_max sehr genau ermittelt werden müssen. Zudem bieten sich großflächige Photodioden mit niedrigem Dunkelstrom an. Mögliche Bauteile sind SFH 2200 oder die Variante SFH2240 mit Umgebungslichtfilter des Herstellers Osram Opto Semiconductors. Eine besonders kompakte Lösung bieten integrierte Sensoren wie SFH 7070 und SFH7072. In den Multichip-Sensoren sind drei LEDs und eine Photodiode integriert. Damit eignen sich die Sensoren speziell für Puls- und Blutsauerstoffmessung in Wearables und Smartphones.

Für eine Messung der Herzfrequenz ist die absolute Signalhöhe nicht von Interesse, der Puls ergibt sich aus dem AC-Anteil. Es bietet sich an, den konstanten Signalanteil mit einem Bandpassfilter zu unterdrücken und das AC-Signal zu verstärken. Soll die Herzfrequenzvariabilität abgeleitet werden, muss die Messung über einen längeren Zeitraum konsistent sein und die Peaks der Kurve sehr gut auflösen. Je genauer das reine Pulssignal herausgearbeitet ist, desto besser lässt es sich weiterverarbeiten. Ein möglichst hohes AC/DC-Verhältnis ist deshalb ein zentrales Kriterium für die Qualität des Gesamtsystems.

Kleinere Bauteile und größere Energieeffizienz

Das Biomonitoring konnte sich vor allem deshalb entwickeln, weil die Bauteile kleiner geworden sind und auch eine verbesserte Energieeffizienz für lange Batterielaufzeiten sorgt. Hocheffiziente LEDs mit engen spektralen Bandbreiten konnten dank der Dünnfilm-Chiptechnik realisiert werden. Zudem sind es die Fortschritte bei der Temperaturstabilität bei der LED sowie kurze Pulse, die neue System-Designs ermöglichen. Allerdings hatten die Entwickler über viele Jahre Probleme mit einem Phänomen: dem sogenannten Green Gap. Es verursacht einen Effizienzverlust bei grünen LEDs.

Osram Opto Semiconductors hat mit der Entwicklung der SFH2201 einen Durchbruch erzielt. Mit einer um 36% höheren Empfindlichkeit im grünen Spektralbereich im Vergleich zum Vorgängermodell setzt die neueste Photodiode für Biomonitoring Maßstäbe für alle derzeit am Markt verfügbaren Lösungen. Gerade die hohen Empfindlichkeiten spielen eine entscheidende Rolle, genaue Ergebnisse bei der Vitalzeichenüberwachung zu erzielen. Dazu gehören die Parameter Pulsfrequenz oder Blutdruckmessung.

Der geringe Vorwiederstand der aktuellen Generation grüner LEDs erlaubt es dem Designer zudem, ohne eine Charge Pump zu arbeiten, was das elektronische System deutlich vereinfacht und effizienter werden lässt. Außerdem hat die SFH 2201 eine geringe Kapazität und schnelle Schaltzeiten. Damit kann die Anwendung Energie sparen – und die Genauigkeit der Messergebnisse steigt dank der höheren Abtastraten. Wichtig ist, dass kein Licht direkt von der LED auf den Detektor gelangt.

Das Übersprechen, auch als Cross Talk bekannt, erzeugt ein hohes DC-Signal und verschlechtert das Signal-Rausch-Verhältnis. Abhilfe schaffen optische Barrieren zwischen LED und Detektor. Zu beachten ist, dass ein Teil des emittierten Lichts direkt an der Haut oder an der Unterseite der Geräteabdeckung reflektiert, je nachdem, wie der Sensor eingebaut ist. Gelangt das Licht durch einen Luftspalt zwischen reflektierender Fläche und optischer Barriere auf den Detektor, trägt es ebenfalls zum Übersprechen bei. Das Umgebungslicht lässt sich über Photodetektoren mit Umgebungslichtfilter ausschalten.

Eine weitere Möglichkeit ist, auf beiden Seiten des Detektors je eine LED einzubauen. So ist sichergestellt, dass bei Bewegung mindestens ein Sender guten Kontakt mit der Haut hat und genügend Licht liefert. Außerdem steht insgesamt mehr optische Leistung für die Messung zur Verfügung. Einige Sensor-Setups integrieren einen Bewegungssensor, um mit speziellen Algorithmen das Signal von Artefakten zu bereinigen. Störendes Umgebungslicht ist beherrschbar, indem man sowohl mit als auch ohne LED misst und die Differenz beider Signale bildet. Einige Chipsätze geben für diesen Zweck ein entsprechendes Dunkelsignal aus.

Wearables geben Kriterien zum Einbau des Sensors vor

Den Einfluss von Bewegung oder Umgebungslicht können die Sensorentwickler steuern. Nicht kontrollieren können sie Faktoren wie Hautfarbe und Schweißbildung oder die Außentemperatur. Bei Kälte ist das Signal schwächer, da die Haut nicht so gut durchblutet wird. Der Sensor muss unter Standardbedingungen höchste Messqualität liefern, damit er in schwierigem Umfeld zuverlässig arbeitet. Ein wichtiger Ansatzpunkt ist der Übergang zwischen Sensor und Haut, also die opto-mechanische Integration in das Endgerät. Externe optische Barrieren, die den Luftspalt zwischen Sensor und Geräteabdeckung überbrücken, können das zu messende Ergebnis deutlich verbessern. Allen voran sollten die Produktentwickler jedoch direktes Übersprechen im Sensor, Tageslichteffekte und den Einfluss von Bewegungen der Nutzer betrachten.

Die Sensoren SFH 7070 und SFH 7072 aus der BioFy-Produktfamilie sind beispielsweise für präzise Puls-SPO2-Messungen am Handgelenk ausgelegt. Sie bestehen aus zwei grünen Sendern und einer Photodiode mit Umgebungslichtfilter. Die Emitter sind durch optische Barrieren getrennt und sitzen auf beiden Seiten der verbauten Photodiode. Besonders große Detektoren und Sender erfassen die aufgenommenen Messsignale. Zusätzlich minimiert das Gehäuse die Lichtabsorption. Der Sensor lässt sich ohne weitere Abdeckung vom Anwender direkt auf der Haut tragen.

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* Dr. Christoph Goeltner ist Marketingingenieur für optische Sensoren bei Osram Opto Semiconductors in Regensburg.

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