Fotopletysmografiassa käytettävien transimpedanssivahvistinten ominaisuuksien vertailu

Abstract

Nykyisin yhä useampaa kiinnostaa oman terveytensä seuraaminen, ja se onkin helppoa kuluttajille suunnattujen terveysteknologialaitteiden avulla. Aktiivisuusrannekkeet, älysormukset - ja kellot hyödyntävät fotopletysmografiaa (PPG), joka on kajoamaton, optinen mittausmenetelmä. Fotopletysmografiaa käytetään kuluttajalaitteiden lisäksi laajasti myös kliinisissä sovelluksissa, kuten sydämen toimintojen mittaamisessa, verenpaineen määrittämisessä ja verisuonten kunnon arvioimisessa. Menetelmä on suosittu erityisesti sen yksinkertaisuuden, pienen koon ja edullisen hinnan vuoksi. PPG-anturin fotodiodilta saatu signaali on hyvin matala-amplitudinen, minkä vuoksi sitä täytyy vahvistaa transimpedanssivahvistimella (TIA). TIA on virta-jännitemuunnin, joka muuntaa heikon fotovirran jännitteeksi ja vahvistaa samalla signaalia. Tämän työn tarkoituksena oli vertailla PPG-mittauksessa käytettävien transimpedanssivahvistinten eri ominaisuuksia. Vertailtavina ominaisuuksina olivat epälineaarisuus, kohinaisuus ja pimeävirtakohina sekä syötetyn signaalin DC-tason vaikutus vahvistimen toimintaa. Työssä rakennettiin koekytkentälevylle neljä erilaista PPG-signaalin mittaamiseen soveltuvaa vahvistinkytkentää. Kytkennät 1 ja 2 olivat perinteiset yhden operaatiovahvistimen muodostamat transimpedanssivahvistinkytkennät. Ensimmäisessä fotodiodi on estosuuntaan biasoitu ja toisessa biasoimaton. Kytkennät 3 ja 4 olivat differentiaalisia instrumentointivahvistimeen perustuvia kytkentöjä. Vahvistinkytkentöjen ominaisuuksia mitattiin erilaisilla menetelmillä, jonka jälkeen mittausdataa käsiteltiin hyödyntäen erilaisia tilastollisia menetelmiä. Tulosten analysoimiseksi hyödynnettiin muun muassa pienimmän neliösumman menetelmää, keskihajontaa, maksimiarvoa ja tehotiheysspektriä. Saatujen tulosten perusteella mikään tutkituista kytkennöistä ei vaikuta olevan selvästi muita testattuja kytkentöjä parempi tarkasteltujen ominaisuuksien osalta. Kytkentä 4 voisi kuitenkin olla hyvä valinta silloin, kun fotodiodille tulevan valon määrä on todella pieni. Toisaalta, jos fotodiodille tulee paljon valoa, kytkentä 4 käyttäytyy hyvin epälineaarisesti. Tulosten perusteella kytkentä 4 on alhaisella DC-tasolla tutkituista kytkennöistä vähiten epälineaarinen ja saavuttaa alhaisen kohinatason, vaikka sillä on tutkituista kytkennöistä eniten pimeävirtakohinaa. Tulosten perusteella kytkentä 3 ei ole optimaalisin valinta fotopletysmografiaan sen suuren epälineaarisuuden ja korkean pimeävirtakohinan vuoksi. Kytkennät 1 ja 2 puolestaan vaikuttavat keskenään tasavertaisilta mitattujen ominaisuuksien kannalta. Kytkennässä 2 oli vähiten pimeävirtakohinaa, mutta kytkentä 1 pääsi yksittäisellä DC-tasolla melko alhaiseen kohinatasoon. Lineaarisuudessa ei vaikuttanut olevan merkittävää eroa näiden kahden kytkennän välillä. Kytkentöjä 1 ja 2 voidaankin pitää toimivina vaihtoehtoina fotopletysmografiamittaukseen. Saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että instrumentointivahvistimeen perustuvat testatut kytkennät eivät olleet ominaisuuksiltaan ylivertaisia verrattuna perinteisiin yhdestä operaatiovahvistimesta koostuviin yksinkertaisiin transimpedanssivahvistimiin.