Las pulseras de fitness y los relojes inteligentes, se están moviendo de los "podómetros inteligentes" basados en acelerómetros a incluir detección biométrica, como la monitorización del ritmo cardíaco. Esta tendencia es impulsada por los fabricantes que buscan diferenciación en el mercado, de ràpido crecimiento, de los artículos portátiles y por los consumidores que desean maximizar su rendimiento y estado físico con un entrenamiento más eficaz.
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Precisión de las mediciones del ritmo cardíaco
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Precisión de seguimiento durante el ejercicio
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Validación del rendimiento en muchos individuos únicos
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Reducción del tamaño y grosor de los diseños portátiles
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Prolongación de la vida útil de la batería
Los diseñadores de sistemas portátiles tienen la opción de implementar técnicas ópticas o eléctricas no invasivas. Las técnicas eléctricas normalmente usan cinturones de pecho con dos contactos sobre la piel para medir el ritmo cardíaco. Este método generalmente es preciso, pero requiere que los usuarios finales usen una banda voluminosa alrededor del pecho con una batería y comunicación inalámbrica, lo que puede ser incómodo e inconveniente. Se prefieren las técnicas ópticas porque eliminan el incómodo cinturón de pecho mediante el uso de un emisor óptico y un sensor integrados con la pulsera.
Principio de la monitorización del ritmo cardíaco óptico en la muñeca
Como se muestra en la Figura 1, la luz infrarroja (IR) de un LED brilla sobre la piel de la muñeca del usuario. La luz que ingresa a la piel es absorbida, dispersada y reflejada en los tejidos, huesos, venas y arterias. Se usa un sensor óptico para detectar estas reflexiones débiles. La luz reflejada en los tejidos y huesos no varía con el tiempo y genera un nivel de corriente continua (CC). A medida que el corazón late, la luz reflejada en la sangre arterial cambia y genera una señal de corriente alterna (AC). El procesamiento de señales digital avanzado elimina la señal CC y calcula el ritmo cardíaco de la débil señal CA. Esta técnica de procesamiento genera lo que se conoce como señal de fotopletismografía (PPG).
Muchos factores contribuyen a señales de PPG precisas en un diseño óptico. Estos factores incluyen la longitud de onda del emisor óptico, la sensibilidad del sistema a esas longitudes de onda, el espacio entre el emisor y el sensor, la cantidad de luz generada por el LED, la cantidad de emisores y el ruido en el sistema. El sistema ideal para la monitorización del ritmo cardíaco para un usuario puede no funcionar bien para otro debido a diferencias en la pigmentación de la piel y otras características fisiológicas de la muñeca específica. Los diseñadores deben elegir cuidadosamente y usar técnicas adaptativas cuando sea posible con el fin de que funcione bien con una amplia población de consumidores. No hacerlo puede significar clientes insatisfechos y una alta tasa de devolución de los productos portátiles. Ahora consideremos algunos de los aspectos fundamentales del diseño del sistema monitor del ritmo cardíaco.
Longitud de onda del emisor
Los sistemas típicos de monitorización del ritmo cardíaco en la punta del dedo o en la oreja utilizan emisores (IR) en la banda de 850 nm a 940 nm. Los emisores IR no son ideales para soluciones basadas en la muñeca porque la muñeca no tiene los mismos capilares con abundante sangre cerca de la piel que se encuentran en la punta del dedo o en la oreja. Se ha determinado que las longitudes de onda verdes (525 nm) ofrecen un rendimiento superior en las ubicaciones de la muñeca para personas con tez blanca. Lamentablemente, las personas con piel de pigmentación oscura pueden absorber las longitudes de onda verdes. Se ha determinado que las longitudes de onda amarillas (590 nm) funcionan mejor con las pieles de pigmentación oscura. Para un mejor rendimiento en el número más amplio de usuarios, se pueden usar LED verdes y amarillos a cambio de un pequeño aumento del costo y consumo de potencia. Se usa una técnica adaptativa para seleccionar la mejor señal para calcular el ritmo cardíaco para cada individuo.
“Optoacoplamiento” a la piel
Es importante tener un buen acoplamiento de las señales ópticas entre la muñeca y el dispositivo portátil ya que los espacios de aire reducen la precisión. Tener una pulsera flexible permite un ajuste estrecho, pero cómodo. Si la banda está demasiado ajustada, el acoplamiento mejora, pero el flujo sanguíneo puede verse restringido, lo que empeora la precisión. Si la banda está demasiado suelta, se va a mover libremente. Un problema común con sistemas de un solo LED es que
la pulsera puede requerir ajustarla más arriba en el brazo o girarla levemente para lograr un rendimiento óptimo. El uso de dos LED espaciados en lados opuestos del sensor óptico reduce al mínimo los problemas por la colocación de la pulsera así como por la inclinación. Los problemas de inclinación se producen durante el ejercicio cuando un lado de la pulsera tiene buen acoplamiento con la piel mientras que el otro lado tiene un espacio de aire. Se recomienda usar tres LED para los diseños portátiles con el fin de asegurar la máxima precisión en una amplia sección transversal de los usuarios finales. Por ejemplo, la pulsera de fitness de alto rendicimento Scosche Rhythm Plus usa dos LED verdes y uno amarillo en una configuración triangular.
Energía luminosa del emisor
La energía luminosa del emisor la determina principalmente la corriente de accionamiento del LED, la tensión, tiempo de activación del pulso, ángulo medio y la intensidad luminosa. Tener un sistema de sensor óptico que posibilita el control de varios de estos parámetros permite que el software se configure a sí mismo de forma óptima para cada individuo único. Por ejemplo, los LED verdes tienen una tensión directa alta que puede requerir sacrificar la tensión de LED y la salida de potencia. No siempre es factible una tensión más alta para el LED, por lo que un tiempo de activación del pulso puede usarse para aumentar la energía luminosa del emisor mientras que se mantiene dentro de los parámetros de operación normales de LED. Una función de autodetección puede ajustar la corriente de accionamiento LED o el tiempo de activación de LED para optimizar la señal reflejada para un individuo único. Esta detección CC automática ayuda a reducir al mínimo los requisitos del rango dinámico del convertidor analógico digital (ADC) del sistema y coloca la señal en el rango óptimo para detectar la señal CA débil del ritmo cardíaco.
Precisión de seguimiento al hacer ejercicio
La mayor debilidad de la mayoría de los dispositivos portátiles disponibles es que no pueden hacer un seguimiento con precisión del ritmo cardíaco mientras el usuario hace ejercicio. Es muy difícil compensar suficientemente los dispositivos del movimiento y fisiológicos cuando se practica ejercicio. Normalmente se usan acelerómetros en los dispositivos portátiles y pueden ser eficaces cuando se combinan con el procesamiento de señales avanzado para reducir los dispositivos del movimiento. Estos algoritmos pueden usar datos de acelerómetros para rechazar muestras de ritmo cardíaco distorsionadas por el ruido o para cancelar activamente el ruido. A pesar de estos algoritmos, se puede perder temporalmente la señal del ritmo cardíaco. Un algoritmo adaptativo que reconoce cuando los datos de sensores no son válidos mediante el uso de clasificación de calidad permite que técnicas de cálculo proporcionen precisión de seguimiento constante cuando el usuario realiza ejercicio. También es importante validar los algoritmos con una muestra extensa de usuario que representen diferentes tonos de piel, orígenes étnicos, edades y pesos.
Reducción del tamaño y grosor del producto final
Agregar sensores de ritmo cardíaco requiere más espacio en un diseño portátil. Muchos diseños portátiles de monitorización cardíaca existentes usan grandes fotodiodos discretos con un interfaz analógico (AFE) y una MCU. AFE incluye los controladores LED, ADC, filtrado analógico y control. Un fotodiodo más pequeño de alta sensibilidad integrado con el ADC junto con filtrado analógico y controladores LED pueden tener un ruido de fondo mucho menor, usar menos bits de ADC y ocupar un espacio más pequeño. Por ejemplo, el sensor óptico Si114x de Silicon Labs integra fotodiodos de alta sensibilidad, un ADC de 17 bits, filtrado analógico de bajo ruido, hasta tres controladores LED dinámicamente configurables y un interfaz I2C en un encapsulado QFN compacto transparente de 2 mm x 2 mm. Un AFE típico en un encapsulado de 3 mm x 3 mm y fotodiodo discreto en un encapsulado de 2 mm x 2 mm ocupa una superficie tres veces mayor.
Aumento de la vida útil de la batería
El mayor consumidor de potencia de un monitor de ritmo cardíaco es normalmente la potencia de muestreo del LED y el procesamiento de la señal para la reducción de dispositivos de movimiento. Un factor clave en el consumo de potencia es la tasa de muestreo utilizada. La monitorización precisa del ritmo cardíaco puede requerir tasas de muestreo más rápidas cuando se hace ejercicio con alto número de pulsaciones por minuto (BPM). Mediante un algoritmo dinámico que cambia la tasa de muestreo basándose en los BPM puede mantenerse la precisión al mismo tiempo que se reduce al mínimo la potencia. La interpolación de muestras también puede posibilitar una potencia menor que aumentar la tasa de muestreo. Los sensores que pueden cambiar dinámicamente sus corrientes de accionamiento LED pueden autodetectar el nivel CC para reducir la potencia y mejorar el rendimiento. Usar dinámicamente uno, dos o tres LED en el diseño del sistema también puede mantener el alto rendimiento a la vez que se reduce al mínimo el consumo de potencia.
Conclusión
Diseñar una solución de monitorización del ritmo cardíaco en un producto portátil plantea muchos desafíos técnicos. Una solución de detección óptica integrada de alto rendimiento, como la familia de sensores Si114x de Silicon Labs, combinada con algoritmos del ritmo cardíaco validados en estudios clínicos, habilita a los desarrolladores para diseñar sistemas portátiles robustos que maximizan la vida útil de la batería y reducen al mínimo el tamaño físico de los dispositivos de monitorización del ritmo cardíaco para la muñeca. Silicon Labs ha dado un paso importante para transformar la monitorización óptica del ritmo cardíaco en una característica integral del mercado de dispositivos portátiles de consumo de rápido crecimiento.