5. Wieloczujnikowy system akwizycji sygnałów PPG
5.3. Czujniki optoelektroniczne
5.3.2. Struktura i rodzaje wykonanych czujników optoelektronicznych
Z założenia system ma zawierać czujniki odbiciowe, które mogą być stosowane w różnych miejscach na ciele człowieka, stanowiących najczęściej warstwy optycznie grube. Na potrzeby zbudowanego systemu wykonano kilkanaście rodzajów czujników. W strukturze czujnika zabudowane są takie elementy jak: dioda lub diody LED (będące fotoemiterem promieniowania optycznego) oraz fotodioda lub fotodiody (stanowiące fotodetektor promieniowania odbitego). Schemat elektryczny czujnika zilustrowano na rysunku 5.9.
Rys. 5.9. Schemat ogólny elektryczny czujnika optoelektronicznego
Sygnałem wejściowym jest prąd zasilający fotoemiter, natomiast sygnałem wyjściowym jest prąd generowany przez fotodetektor. Parametry elektryczne czujnika to:
Iz – prąd zasilający diodę LED,
Ifd – prąd generowany przez fotodiodę określany przez składowe:
stałą IfdAV,
zmienną Ifd(t) wyrażaną przez wartość skuteczną IfdRMS.
Wymienione wartości prądu fotodiody można wyznaczyć dla wybranego fragmentu sygnału PPG, składającego się z jednego, kilku lub kilkunastu okresów. Wartość amplitudy składowej zmiennej stanowi zaledwie ułamek procenta wartości składowej stałej sygnału fotopletyzmograficznego. Analizując ich wzajemne relacje, otrzymuje się informację o
„skuteczności” czujnika w pozyskiwaniu składowych zmiennych zawartych w sygnale PPG.
Do oceny wartości składowej stałej sygnału PPG wykorzystuje się procedurę uśredniania krzywej PPG wyrażonej wzorem:
∑
(5.1)
Fotodioda Iz
Czujnik
Ifd
Układ kondycjonowania Układ
zasilania LED
LED
Obiekt
+
Składowa zmienna sygnału PPG może być określona przez:
wartość skuteczną bez składowej stałej
√ ∑( )
(5.2)
wartość międzyszczytową
[n] (5.3)
wyznaczoną dla zbioru próbek N.
Konstrukcja czujnika w znacznym stopniu decyduje o obszarze stosowalności oraz
„jakości” pozyskanego sygnału fotopletyzmograficznego. Przykładową strukturę zaprojektowanego czujnika pokazano na rysunku 5.10a. Widok wykonanego czujnika z pojedynczą diodą LED i fotodiodą przedstawia rysunek 5.10b.
a) b)
Rys. 5.10. a) Budowa opracowanego czujnika odbiciowego i b) wykonany czujnik (1–
obudowa, 2–dioda LED, 3–fotodioda, 4–płytka drukowana, 5–kabel, 6–ekran)
Pierwsze wykonane przez autora czujniki testowe zamykano w obudowach plastikowych, które umożliwiały częstą zmianę konfiguracji połączeń i wymianę elementów optoelektronicznych. Sztywna konstrukcja i gabaryty tego rodzaju czujników utrudniają ich mocowanie oraz pogarszają komfort miejsc, na których je umieszczano, np. wskutek uwierania. W kolejnych modelach czujników elementy optoelektroniczne zamykano w elastycznej gumowej obudowie, co zmniejszyło znacznie ich rozmiary, polepszając jednocześnie możliwości mocowania oraz komfort umieszczenia u osoby badanej. W przypadku rejestracji sygnału PPG z miejsc dobrze ukrwionych wystarczające może być zastosowanie najprostszej konstrukcji czujnika z tylko jednym fotoemiterem i jednym fotodetektorem. Transmisja propagującego się promieniowania odbywa się wówczas wzdłuż tylko jednej ścieżki optycznej. W miejscach słabiej ukrwionych można wzmocnić rejestrowany sygnał fotopletyzmograficzny poprzez:
zwiększanie mocy optycznej promieniowania,
1 1
2 3
4
5 6
2 3
1
5
zwiększanie długości ścieżki optycznej poprzez wydłużanie odległości fotoemiter – fotodetektor przy jednoczesnym zwiększaniu mocy optycznej (rys. 5.11a),
zwiększanie liczby fotoemiterów lub fotodetektorów, co prowadzi do zwiększenia liczby ścieżek optycznych (rys. 5.11b).
a) b)
Rys. 5.11. Ścieżki optyczne typu „banana shape” przy zmianach: a) odległości między fotoemiterem a fotodetektorem, b) liczby fotoemiterów [81]
Przedstawione sposoby pozyskiwania składowej zmiennej PPG o większej wartości można stosować jednocześnie lub każdy nich z osobna, konstruując różne typy czujników.
Fotoemitery
Dioda elektroluminescencyjna LED (Light-Emitting Diode) zamienia energię elektryczną na promieniowanie optyczne na skutek rekombinacji ładunków w złączu p-n [38, 103, 140].
Zalety diod LED w porównaniu do innych źródeł to: niewielkie wymiary, mały pobór prądu, duża sprawność, łatwe zasilanie, niskie koszty wytwarzania, duża trwałość i długi czas życia.
Wymienione zalety zdecydowały, że diody LED znalazły zastosowanie w wielu urządzeniach technicznych, a także coraz bardziej wypierają z rynku inne źródła światła wykorzystywane m.in. w celach oświetleniowych [168, 169]. Ze względu na właściwości optyczne tkanek (rozdział 3.1), do budowy czujników wykorzystano diody LED o długościach fali 660 nm, 880 nm, 940 nm. W fazie prac badawczych nad czujnikiem sprawdzono również inne diody LED emitujące promieniowanie o różnych długościach fali, obserwując ich wpływ na sygnał PPG, a wyniki przedstawiono w rozdziale 5.3.3.1. Pierwsze egzemplarze czujników zawierały diody w klasycznej okrągłej obudowie o średnicy ⌀=3 mm, które zastąpiono później diodami SMD w obudowach typu 1206 i 0806. Ważniejsze parametry podawane przez producenta w nocie katalogowej stosowanych diod LED zawarte są w tabelach 5.1 i 5.2.
Tabela 5.1. Zestawienie parametrów katalogowych diod LED o średnicy ⌀=3 mm [170]
Oznaczenie diody L-934SRC-G L-34SF4BT L-34F3BT
Rodzaj półprzewodnika GaAlAs GaAlAs GaAs
Maksimum długości fali 660 nm 880 nm 940 nm
Szerokość spektralna 20 nm 50 nm 50 nm
Kąt świecenia 50 50 50
Światłość/Natężenie promieniowania przy Iz=20 mA
(1200–1300) mcd (2–4) mW/sr (2–5) mW/sr
Zakres temperatury pracy (-40–+85) C (-40–+85) C (-40–+85) C Maksymalny stały prąd
przewodzenia Izmax
50 mA 50 mA 50 mA
Tabela 5.2. Zestawienie parametrów katalogowych diod LED SMD [170]
Oznaczenie diody L-934SRC-G KP-3216F4C KP-3216F3C
Rodzaj półprzewodnika GaAlAs GaAlAs GaAs
Maksimum długości fali 660 nm 880 nm 940 nm
Szerokość spektralna 20 nm 50 nm 50 nm
Kąt świecenia 120 120 120
Światłość/Natężenie promieniowania przy Iz=20 mA
(500–1000) mcd (0,4–1) mW/sr (0,4–1,2) mW/sr
Zakres temperatury pracy (-40–+85) C (-40–+85) C (-40–+85) C Maksymalny stały prąd
przewodzenia Izmax
50 mA 50 mA 50 mA
Rodzaj optyki, w którą wyposaża się diody, decyduje o charakterystyce kątowej emitowanego strumienia świetlnego. Diody SMD charakteryzują się rozproszoną wiązką o szerokim kącie równym 120˚, generując mniejszy strumień aniżeli klasyczne okrągłe diody z optyką skupiającą promieniowanie w kącie 50˚. W procesie pozyskiwania sygnału PPG szczególnie istotne są parametry optyczne diod, takie jak: charakterystyka widmowa oraz moc optyczna, zależne od wartości prądu przewodzenia i temperatury pracy. W pierwszej kolejności przeanalizowano właściwości spektralne diod LED, gdyż one bezpośrednio biorą udział w procesie formowania sygnału fotopletyzmograficznego. Charakterystyka widmowa jest podana przez producenta w nocie katalogowej i opisana parametrami zamieszczonymi w tabelach 5.1, 5.2. Informacje te dotyczą jednak pewnego ustalonego punktu pracy, co raczej trudno odnieść do warunków rzeczywistych. Z uwagi na niepełną informację dostarczaną przez producentów określono parametry optyczne wybranych diod, wyznaczając ich charakterystyki widmowe za pomocą spektrometru Maya2000, firmy OceanOptics, w zakresie długości fali (480–1100) nm [171]. W celu porównania charakterystyk widmowych, diody LED umieszczono w stałej odległości od sondy (światłowód z filtrem kosinusoidalnym) spektrometru i zasilano stałym prądem o wartości 20 mA. Otrzymane charakterystyki widmowe badanych diod LED pokazane są na rysunku 5.12. Można zauważyć, że dioda emitująca światło o długości fali 660 nm przy tej samej wartości prądu zasilającego emituje największe wartości natężenia promieniowania, natomiast dioda 880 nm najmniejsze. Największą wartość względnej mocy optycznej Pr uzyskano dla diod czerwonych 660 nm (25,3 j.w.). Diody LED 880 nm (12.6 j.w.) i 940 nm (12,4 j.w.) emitują promieniowanie o względnej mocy optycznej, mniejszej o połowę od diody LED 660 nm.
Rys. 5.12. Wybrane charakterystyki widmowe badanych diod LED
Następnym krokiem była rejestracja widm optycznych diod LED przy zmianach wartości prądu zasilającego w zakresie od 5 mA do 40 mA. Przedstawione charakterystyki (rys. 5.13, rys. 5.14) obrazują fakt, iż wzrost wartości prądu przewodzenia powoduje wydzielanie mocy na złączu p-n, czego efektem jest przesuwanie się maksimum charakterystyki widmowej [156]. Porównawczo na uzyskanych wykresach zaznaczono maksima długości fali oraz określono ich wzajemne przesunięcia.
a) b)
Rys. 5.13. Charakterystyki widmowe Ir=f(λ) dla diod LED 660 nm: a) w obudowie Φ=3 mm, b) w obudowie SMD
Wykresy na rysunku 5.13 dotyczą diod LED o tej samej długości fali lecz w różnych obudowach. Przesunięcia zaznaczonych maksimów są podobne jednak nie takie same, co jest konsekwencją innych parametrów i właściwości termicznych obudów i materiałów zastosowanych do produkcji diod.
485 585 685 785 885 985 1085
Ir [j.w.]
a) b)
Rys. 5.14. Charakterystyki widmowe Ir=f(λ) dla diod umieszczonych w jednakowych obudowach Φ=3 mm emitujących promieniowanie: a) 880 nm, b) 940 nm
Porównując przedstawione na rysunku 5.14 charakterystyki widmowe diod w jednakowych obudowach o różnych długościach fali, zauważa się różnice wynikające z wpływu rodzaju materiału fotoemitera. Przedstawione zjawisko jest szczególnie istotne w przypadku pomiarów spektrometrycznych, zatem w tym przypadku diody LED należy stabilizować termicznie, np. przez ich impulsowe zasilanie.
Kolejnym istotnym parametrem z punktu widzenia przetwarzania sygnałów optycznych jest zależność wartości prądu Ifd generowanego przez fotodiodę od wartości prądu zasilania Iz diody LED. W celu sprawdzenia tej relacji wykonano specjalny układ, gdzie w zamkniętej obudowie umieszczono moduł z diodą LED (940 nm) i fotodiodą, która rejestrowała promieniowanie odbite od ścianki oddalonej o 17 cm (rys. 5.15).
Rys. 5.15. Układ do badania czujników pomiarowych
Charakterystyki przetwarzania czujnika zostały wyznaczone przy zasilaniu diod LED prądem stałym w zakresie od 0 do 40 mA, co przedstawia wykres na rysunku 5.16a. Aproksymując wykres funkcją liniową, wyznaczono błędy nieliniowości w postaci współczynników SSE=0,00663, R2=0,999862, których wartości dowodzą istnienia faktu „wystarczająco”
liniowej zależności między prądem zasilającym a mocą optyczną.
0,8
a) b)
Rys. 5.16. Wykresy zależności między względną mocą optyczną a prądem zasilającym badaną diodę LED 940 nm zasilaną: a) stałym prądem oraz b) impulsami prądowymi
W przypadku zasilania diody LED krótkimi impulsami prądowymi można przekroczyć wartość maksymalną prądu przewodzenia diod dla pracy ciągłej, jednocześnie nie przekraczając dopuszczalnej temperatury złącza [140]. Efektem tego sposobu zasilania są znaczne wartości mocy promienistej. Zależność między emitowanym promieniowaniem a maksymalną wartością impulsowego prądu zasilającego nie zawsze jest liniowa w obszarze dużych wartości prądów dla różnych rodzajów diod LED [18]. Maksymalna wartość prądu impulsowego układu zasilania dla pojedynczej diody LED była równa 400 mA. Na rysunku 5.16b przedstawiono zależność impulsowego prądu zasilającego diodę LED od prądu fotodiody. Charakterystyka ma „prawie” liniowy przebieg (SSE=0,956; R2=0,9983), natomiast punkty pomiarowe leżą w większej odległości od prostej regresji w porównaniu z zasilaniem stałoprądowym.
Pokazane właściwości diod LED oraz proste sposoby ich sterowania w pełni uzasadniają ich użycie jako fotoemiterów w procesie pozyskiwania fali tętna. Należy jednak pamiętać, iż zmiany parametrów widmowych diod LED wywołane zmianami temperatury zarówno otoczenia, jak i złącza p-n (wskutek przepływu prądu), mogą być źródłem błędów szczególnie w trakcie pomiarów spektrometrycznych. Warto też zwrócić uwagę na fakt występowania drugiego maksimum w wielu charakterystykach widmowych diod LED, często pomijanego w nocie katalogowej producenta [156]. Jego lokalizacja może przypadać w miejscach krytycznych spektrum absorpcji różnych tkanek, co dodatkowo może wzmocnić lub osłabić rejestrowany sygnał.
Fotodetektory
O możliwościach aplikacyjnych fotodetektorów decydują przede wszystkim ich parametry statyczne (czułość ogólna i spektralna) oraz dynamiczne (stała czasowa odpowiedzi na wymuszenie skokowe). Przetworniki promieniowanie optyczne – sygnał elektryczny wykorzystują różne zjawiska fizyczne determinujące ich właściwości oraz rozwiązania techniczne układów detekcji. Na rysunku 5.17 zestawiono charakterystyki widmowe wybranych fotodetektorów oraz fotoemiterów [38]. Fotodiody należą do grupy detektorów będących jednymi z najczęściej stosowanych elementów rejestrujących promieniowanie
optyczne, pracujących w trybie fotowoltaicznym lub z napięciem polaryzującym wstecznie.
W fotowoltaicznym trybie pracy nie wymagają zewnętrznego zasilania, przez co układy przetwarzania znacznie się upraszczają, zmniejszając ilość wydzielanego ciepła w samej strukturze detektora. Duża szybkość odpowiedzi czujnika wynika z niewielkiej pojemności złącza i małej rezystancji. Podstawowe typy detektorów fotowoltaicznych najczęściej zawierają w swojej strukturze złącze p-n lub złącze Schottky’ego. Ponadto, ze względu na konstrukcję i właściwości, można spotkać inne rodzaje fotodiod np. fotodiody PIN, fotodiody lawinowe [14]. Wymienione rodzaje fotodiod półprzewodnikowych przeznaczone są do detekcji promieniowania: nadfioletowego, widzialnego oraz podczerwonego.
Rys. 5.17. Charakterystyki widmowe wybranych fotodetektorów i fotoemiterów: 1– dioda LED podczerwona, 2 – dioda LED czerwona, 3 – fotodiody PIN BPW34, 4 – czułości widmowej oka ludzkiego [38]
Obszar zastosowań fotodetektorów jest bardzo szeroki i rozciąga się od prostych czujników wykrywania promieniowania optycznego do bardziej skomplikowanych struktur określających jego szczegółowe parametry, takie jak: natężenie, kształt i położenie wiązki.
Większość dostępnych fotodiod przeznaczonych do detekcji promieniowania widzialnego i podczerwonego wykonuje z się krzemu, którego maksimum czułości przypada w okolicach 900 nm. Ewentualne zmiany charakterystyki widmowej bardziej dostosowanej do wąskopasmowego fotoemitera można osiągnąć przez zastosowanie odpowiedniego filtru lub zespołu filtrów optycznych nakładanych na strukturę fotodetektora. Do konstrukcji czujników stosowanych w pulsooksymetrii oraz fotopletyzmografii częstokroć wykorzystuje się diody PIN o wysokiej czułości ogólnej i widmowej w zakresie okna optycznego. Podstawowe parametry elektryczne i optyczne zastosowanych fotodiod zebrano w tabeli 5.3 [172–174].
1
2 3
4
[nm]
Względna czułość widmowa S
Tabela 5.3. Parametry katalogowe fotodiod użytych w badaniach
Oznaczenie BPW 34 BP 104 HPDB5K-15A
Powierzchnia światłoczuła 7,5 mm2 7,5 mm2 0,19 mm2
Maksimum czułości 900 nm 950 nm 900 nm
Zakres spektrum (400–1050) nm (870–1050) nm (500–1100) nm
Kąt połówkowy 65 65 24
Temperatura pracy (-40 – +85) C (-40 – +85) C (-40 – +85) C NEP (Vr=10 V, 950 nm) 4 x 10-14 W/Hz 4 x 10-14 W/Hz 1 x 10-14 W/Hz
Pojemność (Vr=0 V) 70 pF 70 pF 60 pF
Fotodiody BPW34 i HPDB5K-15A są przeznaczone do rejestracji promieniowania w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni, natomiast fotodioda BP104 swym zakresem obejmuje podczerwień. Poziomy szumów własnych NEP są tego samego rzędu. Pojemności złącza fotodiod określone są przy zerowej wartości napięcia wstecznego Vr i nie przekraczają wartości 70 pF. Przedstawione parametry fotodiod uzasadniają ich wykorzystanie w zbudowanych przez autora konstrukcjach czujników odbiciowych.