[email protected]

MAX30100 SpO2/NabÕz DuyargasÕnÕn Performans De÷erlendirmesi Performance Assessment of MAX30100 SpO2/Heartrate Sensor Kerim Bedri Saçan ve Gökhan Ertaú Biyomedikal Mühendisli÷i Bölümü, Yeditepe Üniversitesi, østanbul, Türkiye [email protected] Özetçe – FarklÕ vücut bölgelerinde kullanÕlabilmeleri ve bu özelli÷in yenilikçi birçok farklÕ tasarÕma fÕrsat vermesinden ötürü yansÕtma tipi optik SpO2/NabÕz duyargalarÕ günümüzde oldukça ra÷bet görmektedir. Fakat bu duyargalardan güvenilir ve kararlÕ ölçüm sonuçlarÕn elde edilmesine yönelik performans testlerine ve de÷erlendirmelere ihtiyaç duyulmaktadÕr. Bu çalÕúmada MAX30100 SpO2/NabÕz duyargasÕyla ölçüm denemeleri gerçekleútirilerek duyarganÕn performansÕ de÷erlendirilmiú bulunmaktadÕr. Duyargayla iúaret parma÷Õ, alÕn ve úakak kemi÷inden SpO2 ve nabÕz ölçümleri gerçekleútirilmiútir. Ölçümler esnasÕnda duyarganÕn içerisindeki kÕzÕlötesi LED’e sabit 50mA tatbik edilirken, kÕrmÕz LED için akÕm de÷eri 4,4mA ila 20,8mA arasÕnda ayrÕk zaman dilimlerinde de÷iútirilmiútir. Tüm ölçümlerle eú zamanlÕ olarak sa÷ iúaret parma÷Õndan bir puls oksimetre cihazÕ ile referans ölçümler alÕnmÕútÕr. Bulgular 14,2mA kÕrmÕzÕ LED akÕm de÷erinin referans cihaz ile benzer sonuçlarÕn alÕnmasÕnÕ sa÷ladÕ÷ÕnÕ göstermektedir. AlÕn ve úakak kemi÷inden alÕnan ölçümler referans cihaz ile alÕnan ölçümlerle karúÕlaútÕrÕldÕ÷Õnda kabul edilebilir yakÕnlÕktadÕr. Gelecek çalÕúmada en uygun kÕrmÕzÕ LED akÕm de÷erini deri rengine ve kalÕnlÕ÷Õna ba÷lÕ olarak otomatik olarak tespit edebilecek ve günlük temel aktiviteler gerçekleútirilirken ölçüm alabilecek MAX30100 barÕndÕran giyilebilir bir cihaz geliútirmeyi planlamaktayÕz. Anahtar Kelimeler — SpO2; nabÕz; MAX30100. Abstract— Reflective optical SpO2/Heartbeat sensors are very popular nowadays due to their ability to be used in different body regions that makes many different innovative designs possible. However, performance tests and evaluations are needed to obtain reliable and stable measurement results from these sensors. In this study, the performance of such a sensor, namely MAX30100 SpO2/Heartbeat sensor, has been assessed by performing measurement trials. SpO2 and heartbeat measurements were performed from the index finger, forehead and temporal bone. During measurements, a constant value of 50mA applied to the infrared LED in the sensor while the current value for the red LED was changed 978-1-5386-0633-9/17/$31.00 ©2017 IEEE

between 4,4mA and 20,8mA in discrete time intervals. Reference measurements were taken with a pulse oximeter from the right index finger simultaneously during all measurements. The findings show that the 14.2mA red LED current value provides similar results with the reference device. The measurements taken from the forehead and temporal bones are acceptable when compared to the measurements taken with the reference device. We plan to develop a wearable device equipped with MAX30100 sensor that will automatically determine the most suitable red LED current value depending on the skin color and thickness and that can perform measurements during basic daily activities. Keywords — SpO2; heartrate; MAX30100.

I. GøRøù Oksijen vücudun tüm canlÕ dokularÕna kÕrmÕzÕ kan hücrelerindeki hemoglobin proteini tarafÕndan taúÕnmaktadÕr. Oksijenlenmiú hemoglobin (HbO2), kÕrmÕzÕ ÕúÕktan daha fazla kÕzÕlötesi ÕúÕ÷Õ emerken oksijenden arÕnmÕú hemoglobin (Hb), kÕzÕlötesi ÕúÕ÷a kÕyasla daha fazla kÕrmÕzÕ ÕúÕ÷Õ emer. Bu temel prensip kan oksijen doygunluk düzeyinin (SpO2) optik tekniklerle dolaylÕ olarak tespit edilmesine olanak tanÕmaktadÕr [1]. Optik temelli bir SpO2 duyarga düzene÷i; kÕrmÕzÕ ve kÕzÕlötesi ÕúÕk yayan diyotlardan (genelde sÕrasÕyla 650nm ve 950nm dalga boylarÕnda), bir optik alÕcÕdan ve tamamlayÕcÕ elektronik devrelerden oluúur [2]. DuyarganÕn çalÕúma prensibi iki farklÕ yönteme dayanmaktadÕr: øletim veya yansÕtma [3]. øletim temelli yöntemde hedeflenen vücut bölgesi kÕrmÕzÕ ve kÕzÕlötesi ÕúÕk kaynaklarÕ ile optik alÕcÕ arasÕna yerleútirilir ve iletilen ÕúÕk úiddetine ba÷lÕ olarak SpO2 ölçümleri gerçekleútirilmektedir. Bu yönteme dayalÕ duyargalarÕn yerleútirilebilece÷i ölçüm bölgeleri oldukça kÕsÕtlÕdÕr: El parmak ucu, kulak memesi veya ayak parma÷Õ vb. YansÕtma yönteminden ise ÕúÕk kaynaklarÕ ve optik alÕcÕ yan yana yerleútirilmiútir ve SpO2 ölçümleri yansÕyan ÕúÕk

úiddetinden hesaplanÕr. øletim yöntemi kullanan duyargalar parmak ucu, kulak memesi, ayak parma÷Õ gibi bölgelerin yanÕ sÕra alÕn, bilek veya gö÷üs bölgesi gibi düz yüzeylerden de ölçüm yapÕlabilmesine imkân tanÕmaktadÕr [4].

(a)

(b)

ùekil 1. Optik yöntemler: (a) øletim ve (b) yansÕtma tipi

Birçok farklÕ vücut bölgesinde kullanÕlabilmeleri ve bu özelli÷in yenilikçi birçok farklÕ tasarÕma fÕrsat vermesinden ötürü yansÕtma tipi optik SpO2 duyargalarÕ günümüzde oldukça ra÷bet görmektedir. Öte yandan bu tip duyargalar çok az sayÕda firma tarafÕndan üretilmektedir. NJL5501R (New Japan Radio Co, Ltd., Japonya) ve DCM01 (APMKorea, Kore) duyargalarÕ pratik kullanÕmlar için tamamlayÕcÕ karmaúÕk devrelere ihtiyaç duymaktadÕr. MAX30100 ve MAX30102 (Maxim Integrated, ABD) duyargalarÕ ise daha basit tamamlayÕcÕ devrelerle kolayca çalÕútÕrÕlabilmektedir. Samsung Galaxy S5, S6 ve S7 cep telefonlarÕnda bu duyargalar yer almaktadÕr [5, 6]. Fakat bu duyargalardan güvenilir ve kararlÕ ölçüm sonuçlarÕn elde edilmesine yönelik performans testlerine ve de÷erlendirmelere ihtiyaç duyulmaktadÕr. Bu çalÕúmada MAX30100 SpO2/NabÕz duyargasÕyla detaylÕ ve tamamlayÕcÕ ölçüm denemeleri gerçekleútirilerek duyarganÕn performansÕ de÷erlendirilmiú bulunmaktadÕr.

(a)

II.

MAX30100 SPO2/NABIZ DUYARGASI

MAX30100 (Maxim Integrated, ABD) yansÕtmalÕ optik teknolojiye dayalÕ bütünleúik bir SpO2/NabÕz duyargasÕdÕr. Duyargada 660nm dalga boyunda bir kÕrmÕzÕ LED ve 880nm dalga boyunda bir kÕzÕlötesi LED yer almaktadÕr (BakÕnÕz ùekil 2a). Bir fotodiyot yardÕmÕyla her iki LED den dokuya çarpÕp yansÕyan ÕúÕk yakalanmakta, bir takÕm iúlemlerden geçirildikten sonra sayÕsala çevrilmekte ve sonrasÕnda sayÕsal bir filtre yardÕmÕyla filtrelenmektedir. Sonuç de÷erler I2C haberleúme protokolü üzerinden okunabilmektedir. AyrÕca bu protokol vasÕtasÕyla duyarganÕn çalÕúmasÕnÕ düzenleyen birçok parametrede ayarlanabilmektedir. Bu parametrelerin baúlÕcalarÕ analogsayÕsal çevrim çözünürlü÷ü, örnekleme hÕzÕ, raporlama süresi iken en önemlileri kÕrmÕzÕ ve kÕzÕlötesi LED akÕm de÷erleridir. Bu akÕm de÷erleri 0mA ile 50mA arasÕnda farklÕ kademelerde ayarlanabilmektedir: 0mA, 4,4mA, 7,6mA, 11,0mA, 14,2mA, 17,4mA, 20,8mA, 24,0mA, 27,1mA, 30,6mA, 33,8mA, 37,0mA, 40,2mA, 43,6mA, 46,8mA ve 50,0mA. Bu çalÕúma kapsamÕnda ùekil 2b’ da gösterilen MAX30100 duyargasÕ barÕndan bir devre kartÕ (RCWL 0530) bir Arduino Uno geliútirme kartÕ üzerinden bilgisayara ba÷lanmÕútÕr. Arduino Uno geliútirme kartÕ üzerindeki ATmega328 mikrodenetleyicisi Arduino IDE ortamÕnda programlanarak farklÕ akÕm de÷erleri için (KÕzÕlötesi LED’e sabit 50mA tatbik edilirken, kÕrmÕz LED için akÕm de÷eri 4,4mA ila 20,8mA arasÕnda de÷iútirilerek) ayrÕk zaman dilimlerinde SpO2 ve nabÕz ölçümleri elde edilmiú ve seri haberleúme ile 115200bps hÕzÕnda bilgisayara gönderilmiútir. Elde edilen ölçümler bilgisayar ortamÕnda Arduino IDE ile gelen seri izleyici modül kullanÕlarak görselleútirilmiútir.

(b)

ùekil 2. (a) MAX30100 duyargasÕna ait öbek çizim [7] ve (b) MAX30100 duyargasÕ barÕndÕran devre kartÕnÕn üstten görünüúü [8]

ise anlamlÕ farklar söz konusudur. NabÕz için ise 20,8mA hariç tüm akÕm de÷erleri ayarlanarak alÕnmÕú ölçümler arasÕnda anlamlÕ fark bulunmamaktadÕr. Bu bulgular çoklu MAX30100 duyarga kullanÕmlarÕnda kÕrmÕzÕ LED için en uygun akÕm de÷erinin 14,2mA veya 11,0mA oldu÷unu göstermektedir. ùekil 3. NewTech PM100 oksimetre cihazÕ [9]

III. ÖLÇÜM DÜZENEKLERø Yirmi altÕ yaúÕnda sa÷lÕklÕ bir erkek gönüllü üzerinde on beú saniye boyunca SPO2 ve nabÕz ölçümleri üç farklÕ vücut bölgesinden gerçekleútirilmiú bulunmaktadÕr. Bu bölgeler iúaret parma÷Õ, alÕn ve úakak kemi÷idir. øúaret parma÷Õ ölçümlerinde öncelikle sol ve sa÷ iúaret parma÷Õ ölçümleri arasÕndaki uyumun tespitine yönelik olarak bu parmaklardan iki farklÕ MAX30100 tümleúik devresi kullanÕlarak eú zamanlÕ ölçümler alÕnmÕútÕr. SonrasÕnda, ayrÕ bir zaman diliminde, bir MAX30100 duyargasÕ ile sol iúaret parma÷Õndan ve güvenilir bir cihaz olarak öngörülen NewTech PM100 (NewTech Medical Limited, ABD) oksimetre cihazÕ ile sa÷ iúaret parma÷Õndan eú zamanlÕ ölçümler gerçekleútirilmiú bulunmaktadÕr (BakÕnÕz ùekil 3). Ölçümler süresince MAX30100 duyargasÕ ilgili parma÷a siyah, esnek ve hava alabilen bir bant kullanÕlarak nazikçe sabitlenmiútir. AlÕn ve úakak kemiklerinden ölçümlerde ise MAX30100 duyargasÕ elektrot kÕsmÕ çÕkarÕlmÕú bir EKG elektrot pedinin sÕrtÕna yerleútirildikten sonra ilgili bölgeye sabitlenmiú bulunmaktadÕr (BakÕnÕz ùekil 4). Eú zamanlÕ olarak NewTech PM100 oksimetre cihazÕ ile sa÷ iúaret parma÷Õndan ölçümler gerçekleútirilmiútir. Tüm eú zamanlÕ alÕnmÕú olan ölçümler için ortalama ve standart sapma de÷erleri hesaplanmÕú ve ölçüm düzenekleri aralarÕndaki sistematik fark Wilcoxon signed-rank test ile sÕnanmÕútÕr (P<0,10 istatistiksel anlamlÕ).

(a)

(b)

ùekil 4. Ölçüm bölgeleri olarak (a) alÕn ve (b) úakak kemi÷i

IV. SONUÇLAR øki farklÕ MAX30100 duyargasÕ tarafÕndan sol ve sa÷ iúaret parmaklarÕndan eú zamanlÕ alÕnmÕú ortalama ölçümler Tablo 1 ve 2’ de görülmektedir. SpO2 için her iki MAX30100 ile kÕrmÕzÕ LED akÕmlarÕ 11,0mA veya 14,2mA olarak ayarlanarak alÕnmÕú ölçümler arasÕnda anlamlÕ fark bulunmamaktadÕr. Di÷er akÕm de÷erleri için

Tablo 1. øúaret parmaklarÕndan SpO2 ölçümleri (iki farklÕ MAX30100 duyargasÕyla) SpO2 (%) MAX30100 (1) MAX30100 (2)

I RED (mA) 4,4 7,6 11,0 14,2 17,4 20,8

95,5 ± 0,5 99,0 ± 0,0 97,0 ± 0,0 97,0 ± 0,0 96,0 ± 0,0 93,0 ± 0,0

96,2 ± 0,4 96,0 ± 0,0 97,0 ± 0,0 97,0 ± 0,0 96,5 ± 0,5 94,0 ± 0,0

P

< 0,10 < 0,10 1,00 1,00 < 0,10 < 0,10

Tablo 2. øúaret parmaklarÕndan nabÕz ölçümleri (iki farklÕ MAX30100 duyargasÕyla) NabÕz (AtÕm/dak) MAX30100 (1) MAX30100 (2)

I RED (mA) 4,4 7,6 11,0 14,2 17,4 20,8

56,3 ± 5,4 58,1 ± 6,1 54,9 ± 7,5 57,3 ± 7,0 56,0 ± 4,4 38,7 ± 11,5

56,3 ± 4,7 58,2 ± 5,9 55,1 ± 6,8 57,4 ± 7,1 56,3 ± 5,0 30,9 ± 5,9

P

0,57 0,66 0,24 0,32 0,42 < 0,10

MAX30100 duyargasÕ ve referans cihaz tarafÕndan sol ve sa÷ iúaret parmaklarÕndan eú zamanlÕ alÕnmÕú ortalama ölçümler Tablo 3 ve 4’ de görüldü÷ü gibidir. SpO2 için MAX30100 ile kÕrmÕzÕ LED akÕmÕ 4,4mA, 7,6mA, 17,4mA veya 20,8mA olarak ayarlanarak alÕnmÕú ölçümler ile referans cihaz ölçümleri arasÕnda anlamlÕ farklar bulunmamaktadÕr. Öte yandan kÕrmÕzÕ LED akÕmÕ 11,9mA veya 14,2mA olarak ayarlanarak alÕnmÕú ölçümler ile referans cihaz ölçümleri arasÕnda anlamlÕ fark bulunmamaktadÕr. Bunula birlikte nabÕz için MAX30100 ile kÕrmÕzÕ LED akÕmÕ yalnÕz 14,2mA olarak ayarlanarak alÕnmÕú ölçümler ile referans cihaz ölçümleri arasÕnda da anlamlÕ fark bulunmamaktadÕr. Bu bulgular 14,2mA kÕrmÕzÕ LED akÕm de÷erinin referans cihaz ile benzer sonuçlarÕn alÕnmasÕnÕ sa÷ladÕ÷ÕnÕ göstermektedir. Çoklu duyarga kullanÕmlarÕnda da bu akÕm de÷erinin en uygun olmasÕ muhtemeldir. Tablo 3. øúaret parmaklarÕndan SpO2 ölçümleri (MAX30100 duyargasÕ ve Referans Cihaz ile) MAX30100

I RED (mA) 4,4 7,6 11,0 14,2 17,4 20,8

Referans Cihaz

SpO2 (%)

SpO2 (%)

96,0 ± 0,0 96,9 ± 0,4 99,0 ± 0,0 97,9 ± 0,3 97,0 ± 0,0 95,0 ± 0,0

97,7 ± 0,5 98,0 ± 0,0 99,0 ± 0,0 98,0 ± 0,0 98,0 ± 0,0 99,0 ± 0,0

P

< 0,10 < 0,10 1,00 0,32 < 0,10 < 0,10

Tablo 4. øúaret parmaklarÕndan nabÕz ölçümleri (MAX30100 duyargasÕ ve Referans Cihaz ile) MAX30100

I RED (mA) 4,4 7,6 11,0 14,2 17,4 20,8

Referans Cihaz

NabÕz (atÕm/dak)

NabÕz (atÕm/dak)

57,9 ± 15,1 66,9 ± 11,9 68,0 ± 10,5 73,2 ± 1,7 30,1 ± 0,8 29,5 ± 0,5

72,5 ± 1,2 73,5 ± 1,0 74,3 ± 0,8 73,7 ± 1,6 75,0 ± 2,2 78,5 ± 1,1

kemi÷inden de ölçümlerin alÕnabilece÷ini göstermiútir. Bu bulgunun yenilikçi birçok farklÕ tasarÕma fÕrsat verece÷ini öngörmekteyiz.

P

< 0,10 < 0,10 < 0,10 0,43 < 0,10 < 0,10

KÕrmÕzÕ LED akÕmÕ 14.2mA olarak ayarlanmÕú MAX30100 duyargasÕ ile alÕn ve úakak kemi÷inden ve bunlarla eú zamanlÕ olarak referans cihaz ile sa÷ iúaret parma÷Õndan alÕnmÕú ortalama ölçümler Tablo 5 ve 6’ da görülmektedir. SpO2 için MAX30100 duyargasÕyla alÕn ve úakak kemi÷inden ölçümler ile referans cihazla sa÷ iúaret parma÷Õndan temin edilmiú ölçümler arasÕnda anlamÕ bir fark bulunmaktadÕr. Öte yandan dikkatlice incelendi÷inde bu farkÕn %1’ den daha az bir sapmadan kaynaklandÕ÷Õ anlaúÕlmaktadÕr. NabÕz için referans cihazla sa÷ iúaret parma÷Õndan temin edilmiú ölçümler ile MAX30100 duyargasÕyla alÕndan ölçümler arasÕnda anlamlÕ bir fark bulunurken úakak kemi÷inden ölçümleri arasÕnda fark anlamsÕzdÕr. Bu bulgular MAX30100 ile sakak kemi÷inden ölçümlerin referans cihaz ölçümleriyle benzer oldu÷unu göstermektedir. MAX30100 duyargasÕyla elde edilmiú tüm SpO2 de÷erleri referans cihaz ile elde edilmiú de÷erlerden %2’ den daha az mutlak sapmaya sahiptir. Bu mutlak sapma de÷eri literatürde kabul edilebilir olarak bahsedilmektedir [10]. NabÕz de÷erlerinde ise sapma kÕrmÕz LED akÕmÕna ba÷lÕ olarak oldukça yüksek de÷erler alabilmektedir. Bununla birlikte uygun bir de÷ere ayarlanarak sapmasÕn düúürülmesi mümkündür. Tablo 5. SpO2 ölçüm sonuçlarÕ (MAX30100 duyargasÕ ve Referans Cihaz ile) MAX30100 Ölçüm Yeri SpO2 (%)

AlÕn ùakak kemi÷i

97,0 ± 0,0 97,0 ± 0,0

Referans Cihaz SpO2 (%)

P

96,0 ± 0,0 96,0 ± 0,0

< 0,10 < 0,10

Tablo 6. NabÕz ölçüm sonuçlarÕ (MAX30100 duyargasÕ ve Referans Cihaz ile) MAX30100 Ölçüm Yeri NabÕz (AtÕm/dak)

Referans Cihaz NabÕz (AtÕm/dak)

Bu çalÕúmanÕn bir takÕm kÕsÕtlamalarÕ bulunmaktadÕr. Analizlerde sadece bir gönüllüden temin edilmiú ölçümler göz önüne alÕnmÕútÕr. Daha fazla sayÕda gönüllünün çalÕúmaya dâhil edilerek istatistiksel olarak daha güçlü sonuçlarÕn elde edilmesi mümkündür. En uygun akÕm de÷erinin gönüllü ten rengine ve deri kalÕnlÕ÷Õna ba÷ÕmlÕ olma ihtimali oldukça yüksektir. FarklÕ ten renklerine sahip gönüllüler çalÕúma dâhil edilerek bu etkinin incelenmesi mümkün olacaktÕr. Gelecek çalÕúmada daha fazla sayÕda gönüllü üzerinde en uygun akÕm de÷erini otomatik olarak tespit edebilecek ve gönüllü günlük temel aktivitelerini gerçekleútirirken ölçüm alabilecek bir giyilebilir cihaz geliútirmeyi planlamaktayÕz. AyrÕca bu cihazÕ su geçirmez hale getirerek ve cihaza uza÷a ölçüm gönderme kabiliyeti ekleyerek suda bo÷ulma veya sportif dalÕúlar esnasÕnda bayÕlma gibi durumlarÕn anlÕk tespiti üzerine bir çözüm geliútirmeyi hedeflemekteyiz. KAYNAKÇA [1]

Cohen, A. ve Wadsworth, N., “A Light Emitting Diode Skin Reflectance Oximeter,” Medical and Biological Engineering, 10:385-391, 1972.

[2]

WHO. Monitoring Emergency Obstetric Care—A Handbook. Geneva: WHO; 2009.

[3]

Jawahar, Y., “Design of an Infrared Based Blood Oxygen Saturation and Heart Rate Monitoring Device”, pp 9-25, 2009.

[4]

Philips Healthcare. http://incenter.medical.philips.com/. Son ziyaret: 15/09/2017.

[5]

MAX30100 ve Samsung GS5/GS6. http://www.techin sights.com/about-techinsights/overview/blog/samsung-galaxy-s5teardown/. Son ziyaret: 19/08/2017.

[6]

MAX30102 ve Samsung GS7. https://www.slideshare .net/Yole_Developpement/maxim-integrated-max30102-opticalheartrate-sensor-2016-teardown-reverse-costing-report-publishedby-yole-developpement. Son ziyaret: 19/08/2017.

[7]

Max30100 Datasheet. https://datasheets.maximintegrated.com /en/ds/MAX30100.pdf. Son ziyaret: 19/08/2017.

[8]

Max30100 Diagram. http://www.icstation.com/max30100-heart beat-sensor-heart-rate-pulse-sensor-oximeter-module-p-8777.html. Son ziyaret: 19/08/2017.

[9]

NewTech PM100. http://lviv.all.biz/en/pulsoksimetr-newtechrm100-pulsoksimetra-g1033432#.WZgMIrmCzIU. Son ziyaret: 19/08/2017.

P

AlÕn

88,9 ± 2,0

88,2 ± 1,4

< 0,10

ùakak kemi÷i

87,9 ± 3,5

88,5 ± 2,0

0,32

YansÕtma tipi SpO2/NabÕz duyargalarÕ parmak ucu, kulak memesi, ayak parma÷Õ gibi bölgelerin yanÕ sÕra alÕn, bilek veya gö÷üs bölgesi gibi düz yüzeylerden de ölçüm yapÕlabilmesine imkân tanÕmaktadÕr. Bu çalÕúma úakak

[10] American Thoracic Society – Pulse Oximetry. https://www.thoracic. org/patients/patient-resources/resources/pulse-oximetry.pdf. Son ziyaret: 15/09/2017.