Пульсоксиметр MAX30102

MAX30102 является интегральным сенсорным модулем, предназначенным для упрощения разработки портативных медицинских приборов контроля сердечного ритма и насыщенности крови кислородом. В состав этой микросхемы интегрированы светодиоды (красный и ИК) и фотоприемник, а также встроены оптические элементы. Имеющаяся в составе МАХ301002 электронная схема обработки сигналов характеризуется низким уровнем собственного шума и обеспечивает подавление внешней засветки.

В процессе измерений используется канал красного и инфракрасного света с регулируемой программным образом интенсивностью свечения и длительностью сеансов измерения.

MAX30102 работает от источника питания напряжением 1,8 В. Отдельный источник питания 5 В требуется для излучения встроенных светодиодов, поэтому на плате размещены стабилизаторы напряжения, обеспечивающие необходимок напряжение питания в 3,3 и 1,8 вольт. Взаимодействие с внешними устройствами происходит через стандартный интерфейс I2C, связь с микроконтроллером происходит через преобразователь логического уровня. Модуль MAX30102 может быть программно переведен в режим ожидания с практически нулевым током потребления, что позволяет отказаться от выключателя питания.

Характеристики:

• напряжение питания: 5 вольт
• напряжение логического уровня: равно напряжению питания
• размер: 14*14 мм
• интерфейс связи: I2C

Принципиальная схема:

Особенности MAX30102:

• Монитор сердечных сокращений и оксиметрический биосенсор с работающими на отражение встроенными светодиодами
• Миниатюрный (5,6х3,3х1,55 мм) модуль с 14 выводами:
  • интегрированная оптическая система, обеспечивающая надежный процесс измерения.
• Сверхнизкое энергопотребление, оптимально подходящее для мобильных устройств:
  • программируемая периодичность снятия измерений и режим энергосбережения светодиодов;
  • низкое энергопотребление электронной схемы (<1 мВт);
  • сверхмалый ток потребления в выключенном состоянии (около 0,7 мкА).
• Возможность быстрого вывода данных:
  • высокая частота дискретизации.
• Устойчивость к вибрациям при снятии показаний:
  • высокий показатель соотношения сигнал/шум;
• Диапазон рабочих температур: -40…85°C.

MAX30102 может применяться в портативных медицинских приборах для использования в поликлиниках и дома, а также для контроля состояния организма в процессе занятий спортом.

Описание работы MAX30102

В корпусе MAX30102 реализована полнофункциональная схема сенсорного модуля для создания портативных систем пульсоксиметрии c высокими требованиями к точности измерений. Устройство имеет миниатюрные размеры, добиться которых удалось без ущерба для оптических или электрических характеристик. Для интеграции в полнофункциональную носимую измерительную систему потребуется минимум дополнительных внешних компонентов.

Управление работой MAX30102 осуществляется через внутренние программные регистры. Цифровые выходные данные могут быть сохранены в 32-битном буфере FIFO, который позволяет через общую шину последовательно передавать цифровой поток на внешний контроллер.

Подсистема измерения SpO2

Процентное содержание кислорода в крови в данном случае определяется неинвазивным методом через кожу (о чем свидетельствует обозначение «Sp»), как процентное отношение насыщенного кислородом гемоглобина (HbO2) к общему содержанию гемоглобина (HbO2 + RHb), определяемых с помощью фотодетектора, ИК и красного светодиода MAX30102.

Подсистема измерения SpO2 включает схему компенсации внешней засветки (КВЗ), сигма-дельта-АЦП и патентованный цифровой фильтр. КВЗ имеет внутреннюю схему блокировки сигнала для устранения внешней засветки и расширения эффективного динамического диапазона. АЦП программируется во всем диапазоне измерений 2…16 мкА. КВЗ позволяет блокировать сигнал внешней засветки величиной до 200 мкА.

Внутренний АЦП выполняет непрерывную дискретизацию, используя сигма-дельта-конвертор с 18-битным разрешением. Частота дискретизации АЦП 10,24 МГц. Скорость вывода данных АЦП программируется в диапазоне 50…3200 выборок в секунду.

Датчик температуры. 

В MAX30102 имеется встроенный датчик температуры для калибровки температурной зависимости подсистемы измерения SpO2. Датчик температуры имеет разрешение 0,0625°С.

Выходные данные MAX30102 сравнительно нечувствительны к длине волны ИК-светодиода, тогда как длина волны красного светодиода имеет решающее значение для правильной интерпретации результатов измерений. Используемый MAX30102 алгоритм для измерения SpO2 позволяет компенсировать ошибки, возникающие с изменением температуры окружающей среды.

Драйвер для управления встроенными светодиодами. 

MAX30102MAX30102 включает красный и ИК-светодиоды, управляемые с помощью внутренних драйверов LED, которые модулируют длительность импульсов и величину тока при измерении пульса и SpO2. Ток может меняться программным способом в диапазоне 0…50 мА, а длительность импульса может быть запрограммирована в диапазоне 69…411 мкс. При этом точность измерения и энергопотребление можно оптимизировать для конкретной ситуации.

Функция контроля дистанции до измеряемого объекта (Proximity). 

MAX30102MAX30102 использует функцию контроля присутствия (близости) пациента с целью сокращения излучения света и энергосбережения, когда возле датчика нет пальца пациента. После инициализации функций измерения пульса и SpO2 (через запись в регистр MODE) активизируется ИК-светодиод, ток через который определяется содержимым регистра PILOT_PA. Когда обнаруживается превышение порога IR ADC (устанавливается в регистре PROX_INT_THRESH), автоматически происходит переход в обычный режим измерения.

Чтобы вернуться в режим контроля присутствия, регистр MODE должен быть обновлен (даже если записываются те же самые значения). Функция контроля присутствия может быть отключена путем сброса бита PROXINTEN в 0. В данном случае сразу включается режим измерения пульса или SpO2.

Работа в режиме измерения SpO2

Внутренний буфер сохраняет данные до 32 измерений, так что внешнему процессору нет необходимости считывать показания после каждого измерения. Используемые для коррекции показаний данные о температуре снимаются один раз в секунду или даже реже.

Измерение частоты пульса

При измерении частоты пульса последовательность действий аналогична используемой при измерении SpO2, однако не требуется измерение температуры, а также, по усмотрению пользователя, выбирается только один канал измерений – красный или ИК.

Обмен данными

MAX30102 оснащен совместимым с шинами I²C и SMBus двухпроводным последовательным интерфейсом, включающим линию данных/адреса (SDA) и линию тактовых импульсов (SCL). MAX30102 может обмениваться данными на тактовой частоте до 400 кГц.

Ведущее устройство записывает данные в регистры MAX30102, выставляя на шине адрес, а вслед за ним – данные. Каждый передаваемый по линии данных пакет обрамлен состояниями START (S) или REPEATED START (Sr) с одной стороны и состоянием STOP (P) с другой. 8-битные информационные посылки и сигналы подтверждения их приема (ACK – Acknowledge) синхронизируются импульсами, передаваемыми по шине SCL.

Линия SDA работает на прием и передачу, а SCL работает только как вход. Подтягивающие к шине питания резисторы обычно имеют номиналы более 500 Ом. Опционально в линии могут устанавливаться и последовательные резисторы, которые защитят цифровые входы MAX30102 от высоковольтных импульсов на шине и минимизируют перекрестные помехи.

Вначале подается питание на основную схему (VDD), а затем – на светодиоды (VLED+). Выводы шины I2C могут оставаться подключенными к внешнему источнику питания даже при отключении питания от остальной части MAX30102.

После установления необходимых уровней напряжения питания генерируется прерывание, чтобы сообщить внешнему процессору о готовности MAX30102 к выполнению операций. Флаг прерывания очищается после чтения из регистра прерываний. Последовательность отключения источников питания может быть любой.

Datasheet (pdf, eng)