Si le da la vuelta a un reloj inteligente, por lo general verá una pequeña luz verde parpadeando contra la piel. Esa luz forma parte de un sensor PPG, uno de los sensores más importantes dentro de los dispositivos ponibles modernos.
Los sensores PPG permiten que los dispositivos ponibles midan el ritmo cardíaco y otras señales fisiológicas utilizando luz en lugar de electrodos. Hoy en día se encuentran en monitores de actividad, relojes inteligentes, pulseras de bienestar e incluso en algunos dispositivos de monitorización médica.
Los dispositivos ponibles dependen de que muchos sensores funcionen de manera conjunta. Los sensores de movimiento registran el desplazamiento, los sensores de temperatura controlan las condiciones ambientales y los sensores ópticos, como el PPG, miden el flujo sanguíneo. Si desea una perspectiva más amplia sobre los sensores de hardware comunes utilizados en productos electrónicos, consulte nuestra guía sobre los 6 sensores esenciales que todo ingeniero debe conocer.
Comprender cómo funciona la fotopletismografía (PPG) es importante no solo para los ingenieros que desarrollan dispositivos ponibles, sino también para cualquiera que diseñe productos que interactúen con el cuerpo humano.
¿Qué es un sensor PPG?
PPG son las siglas de fotopletismografía.
Es una técnica de medición óptica que detecta pequeños cambios en el volumen sanguíneo cerca de la piel. Un dispositivo ponible proyecta luz hacia la piel y mide qué cantidad de esa luz se refleja de vuelta.
Estas pequeñas variaciones corresponden a la onda de pulso generada por el corazón.
Una explicación simplificada se ve de la siguiente manera:
- Los LEDs proyectan luz hacia la piel
- La sangre absorbe la luz de manera diferente al tejido circundante
- Cada latido del corazón cambia ligeramente el volumen sanguíneo
- La señal de luz reflejada cambia con el pulso
- El dispositivo convierte esa señal en datos de frecuencia cardíaca
Si desea una perspectiva técnica más profunda sobre los sistemas de fotopletismografía en dispositivos ponibles, este capítulo de investigación sobre sensores PPG para wearables explica la tecnología con mayor detalle.
¿Por qué los dispositivos ponibles utilizan luz verde?
La mayoría de los dispositivos ponibles comerciales utilizan LEDs verdes para la monitorización del ritmo cardíaco.
Se elige habitualmente la luz verde porque produce una señal fuerte al medir el flujo sanguíneo en la muñeca. Su longitud de onda interactúa bien con los vasos sanguíneos cercanos a la superficie de la piel.
Esta señal más fuerte facilita que los algoritmos detecten los patrones del pulso, incluso cuando el usuario se está moviendo.
¿Por qué algunos dispositivos utilizan luz roja e infrarroja?
Cuando un dispositivo ponible intenta estimar los niveles de oxígeno en sangre (SpO₂), por lo general utiliza LEDs rojos e infrarrojos.
Estas longitudes de onda interactúan de manera diferente con la sangre oxigenada y desoxigenada, lo que permite al dispositivo estimar la saturación de oxígeno.
Este tipo de medición es más complejo y más sensible a los errores de diseño. De hecho, los organismos reguladores se han centrado cada vez más en los problemas de precisión relacionados con las diferencias en el tono de la piel. La FDA ha emitido recomendaciones actualizadas sobre el rendimiento de los oxímetros de pulso en los distintos tonos de piel.
El hardware en el interior de un módulo de sensor PPG
Un sistema PPG para dispositivos ponibles normalmente contiene varios componentes electrónicos que funcionan de manera conjunta.
Los elementos clave incluyen:
- LEDs que emiten luz hacia la piel
- Un fotodiodo que detecta la luz reflejada
- Un extremo analógico (AFE) que amplifica la señal
- Un procesador que analiza la forma de onda
Estas piezas forman parte de la arquitectura electrónica más amplia utilizada en los sistemas embebidos. Para examinar más a fondo los componentes de hardware que sirven de base en los productos electrónicos, consulte nuestra guía sobre los 10 componentes de PCB más utilizados.
Por qué es importante la estructura óptica
Muchos ingenieros se concentran en el chip del sensor, pero la estructura óptica que lo rodea suele ser lo que determina el rendimiento.
Los factores de diseño importantes incluyen:
- Material de la ventana del sensor
- Espesor de la ventana y recubrimientos
- Distancia entre los LEDs y el fotodiodo
- Apantallamiento contra la luz ambiental
- Contacto mecánico con la piel
Incluso los pequeños cambios en los materiales o los recubrimientos pueden afectar la calidad de la señal. Es por esto que los componentes ópticos deben controlarse rigurosamente durante el desarrollo del producto y su fabricación.
Artefactos de movimiento: El mayor desafío para los dispositivos ponibles
Los artefactos de movimiento son la razón principal por la que los sensores PPG de muñeca tienen dificultades durante los entrenamientos.
Cuando el dispositivo se mueve con respecto a la piel, la señal óptica se vuelve ruidosa.
Las causas comunes incluyen:
- Microdeslizamientos entre la piel y el sensor
- Cambios en la presión de contacto
- Deformación del tejido durante el movimiento
- Braceo y vibración
- Filtración de luz ambiental
Debido a esto, muchos dispositivos ponibles combinan los datos de PPG con las señales del acelerómetro para filtrar el ruido de movimiento.
Tono de piel y calidad de la señal
La pigmentación de la piel afecta cómo la luz se absorbe y se dispersa en el tejido. Esto puede influir en la calidad de la señal y en la precisión de la medición.
Para el monitoreo de la frecuencia cardíaca, el efecto suele ser manejable, pero para las mediciones de saturación de oxígeno, el problema se vuelve más significativo.
Desde la perspectiva del diseño de producto:
- Los dispositivos deben validarse en una amplia variedad de tonos de piel
- Los algoritmos deben ser capaces de manejar diferentes condiciones de la señal
- Las especificaciones comerciales del producto deben coincidir con su rendimiento en el mundo real
Compromisos de consumo de energía en wearables
Los sensores PPG introducen compromisos importantes en la duración de la batería.
Un mayor brillo del LED y tasas de muestreo más rápidas mejoran la calidad de la señal, pero aumentan el consumo de energía.
Los diseñadores de wearables a menudo gestionan esto utilizando:
- Ciclo de trabajo del LED
- Tasas de muestreo adaptativas
- Detección de la calidad de la señal
- Mejoras mecánicas para estabilizar el sensor
Riesgos de fabricación que los ingenieros suelen pasar por alto
Algunos de los problemas más comunes de PPG surgen después de que el producto entra en la fase de fabricación.
Los modos de fallo típicos incluyen:
- Cambios en el material de la ventana que introducen neblina óptica
- Cambios en el adhesivo que provocan reflexiones internas
- Desviaciones de tolerancia entre el sensor y la ventana
- Mal ajuste de la correa en muñecas más pequeñas
- Condensación que afecta a los componentes ópticos
- Variación de los LEDs entre lotes de componentes
Estos problemas resaltan por qué el diseño para la fabricación es fundamental en el desarrollo de hardware. Para más detalles, consulte nuestro artículo sobre por qué el diseño para la fabricación es crítico en el desarrollo de la electrónica.
