Dynamic control algorithm for an analog front end in a wearable optical heart rate monitoring device
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Authors
Date
2016-06-13
Department
Major/Subject
Biotroniikka
Mcode
S3037
Degree programme
BIO - Bioinformaatioteknologia (TS2005)
Language
en
Pages
87 + 8
Series
Abstract
Optical heart rate monitoring is an established technology based on photoplethysmography measurements from the surface of the skin. It has recently gained popularity among many companies in consumer targeted applications. Even though the principles of optical heart rate monitoring are fairly simple, the inherent problems of the technology and often challenging operating conditions pose serious issues for the PPG signal acquisition and consequent HR estimation. This thesis investigates the challenges of a PPG front end in a consumer targeted wrist-worn optical heart rate monitor and proposes a method for improving the measurement resolution. The goal of this thesis is to develop an embedded real-time control algorithm to optimally adjust the parameters of the two chosen PPG front ends, AFE4400 and AFE4404. The main requirement for the control algorithm is to acquire good quality PPG signal in a wide range of ambient light conditions while maintaining low power consumption. The developed control algorithm was optimized with simulations using 228 recordings form various activities with a total length of 280 hours. The algorithm performance was compared against the thesis starting point with an apparatus that simulated PPG signal in different lighting conditions. As a result, the saturation illuminance was increased notably and the PPG signal was still usable at 20 klux illuminance, whereas without the controller the signal saturated at 13 klux. Moreover, the signal quality determined by AC/DC ratio was increased tenfold for normal lighting conditions. Additionally, carefully selecting the LED sampling timings reduced ambient light artifacts visibly and power consumption by 85 %. The algorithm was implemented to the commercially available PulseOn wrist device and P-OHR1F module. The performance and functionality of the PulseOn device has been verified with multiple recordings in both controlled and real use cases.Optinen sykemittaus on vakiintunut teknologia, joka perustuu fotopletysmografisiin mittauksiin ihon pinnasta. Optisen sykemittauksen suosio on kasvanut viime vuosina eri yritysten tuodessa markkinoille siihen perustuvia kuluttajatuotteita. Optisen sykemittauksen perusteet ovat melko yksikertaiset, mutta teknologiasta johtuvat rajoitukset ja usein haastavat käyttöolosuhteet hankaloittavat PPG signaalin keräämistä ja siitä tapahtuvaa sykkeen estimointia. Tämä diplomityö tutkii PPG signaalin mittauskomponentin (eng. analog front end) haasteita optisessa rannesykemittarissa ja ehdottaa menetelmää mittaustarkkuuden parantamiseksi. Työn tavoitteena on kehittää reaaliaikainen sulautettu säätöalgoritmi, joka säätää optimaalisesti kahden PPG mittauskomponentin, AFE4400:n ja AFE4404:n, parametreja. Säätöalgoritmin päätavoite on tuottaa hyvää PPG signaalia monenlaisissa valaistusolosuhteissa pitäen samalla mittauksen virrankulutuksen pienenä. Kehitetty säätöalgoritmi optimoitiin simuloinneilla käyttäen 228 tallennusta useista eri aktiviteeteista, joiden yhteispituus oli 280 tuntia. Algoritmin toimintaa verrattiin työn alkutilanteeseen PPG signaalia ja ympäristön valaistusvaihteluja simuloivalla laitteistolla. Kehitetyn säätöalgoritmin tuloksena saturaatiovalaistus nousi huomattavasti ja signaali oli vielä käyttökelpoista 20 klux valaistuksessa, kun se ilman säätöä saturoitui jo 13 klux kohdalla. Signaalin laatu määritettynä AC/DC suhteena parani kymmenkertaiseksi normaalivalaistuksessa. Valitsemalla tarkoin näytteenottoon liittyvät ajoitukset, ympäristön valovaihtelu aiheutti enään vain pieniä häiriöitä ja virrankulutus väheni 85 prosenttia lähtötilanteesta. Säätöalgoritmi toteutettiin kaupallisesti saataviin PulseOn rannesykemittariin ja P-OHR1F moduuliin. Rannesykemittarin parantunut tarkkuus ja toiminallisuus on todennettu sekä kontrolloiduissa että todellisissa käyttötapauksissa.Description
Supervisor
Sepponen, RaimoThesis advisor
Korhonen, IlkkaKeywords
photoplethysmography, analog front end, dynamic control algorithm, optical heart rate monitoring, wrist device