【導(dǎo)讀】在健康和健身可穿戴設(shè)備的功能列表中，心率(HR)和血氧飽和度(SpO2)正迅速?gòu)摹捌诖龘碛小彪A段進(jìn)入“有望實(shí)現(xiàn)”階段。但是，這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致讀數(shù)質(zhì)量下降，這是因?yàn)橐恍﹤鞲衅髦圃焐淘诩庇跐M(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)這些功能的需求時(shí)，放松了其產(chǎn)品的讀數(shù)質(zhì)量，由此引發(fā)了人們對(duì)其產(chǎn)品準(zhǔn)確性的質(zhì)疑。
雖然在日常使用的可穿戴設(shè)備中，讀數(shù)準(zhǔn)確性可能不太關(guān)鍵，但在臨床級(jí)可穿戴設(shè)備中，測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量和完整性必須無(wú)可置疑。設(shè)計(jì)人員面臨一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：如何在進(jìn)行高質(zhì)量的HR和SpO2測(cè)量時(shí)，不會(huì)消耗過(guò)多的設(shè)備電池電量？在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中，我們先展示為什么傳統(tǒng)的光學(xué)讀數(shù)方法會(huì)浪費(fèi)電能，然后介紹一種采用新型結(jié)構(gòu)的傳感器IC，它能執(zhí)行臨床級(jí)測(cè)量，同時(shí)大幅降低功耗。
光電容積脈搏波描記法(PPG)
我們使用一種光電技術(shù)來(lái)測(cè)量HR和SpO2，這種技術(shù)稱(chēng)為光電容積脈搏波描記法或PPG（圖1）。通過(guò)使用發(fā)光二極管(LED)照射皮膚，并使用光電二極管(PD)產(chǎn)生與接收到的光量成比例的電流，檢測(cè)從表面以下血管反射的光強(qiáng)度的變化（圖2）可獲得PPG信號(hào)。
圖1. 使用腕戴式設(shè)備測(cè)量HR和SpO2。
圖2. 使用LED和PD進(jìn)行PPG測(cè)量。
電流信號(hào)由PPG模擬前端(AFE)調(diào)節(jié)，然后由ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便系統(tǒng)微控制器上運(yùn)行的光學(xué)算法進(jìn)行處理。原則上，單對(duì)LED-PD就足以進(jìn)行PPG測(cè)量，這種結(jié)構(gòu)在臨床設(shè)備中很常見(jiàn)（圖3）。
圖3. 在臨床環(huán)境中測(cè)量SpO2 和HR。
但是，這些設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境與日常生活中的環(huán)境完全不同。首先，患者保持不動(dòng)，由夾在患者指尖的傳感器進(jìn)行測(cè)量。照明條件相對(duì)穩(wěn)定，這會(huì)簡(jiǎn)化PD的光檢測(cè)，這些設(shè)備一般都由主電源供電，因而不用擔(dān)心功耗問(wèn)題。
相比之下，可穿戴設(shè)備一般是戴在手腕上，這意味著，接觸皮膚的程度不同，一般取決于個(gè)人偏好（腕帶的松緊度）和佩戴者的動(dòng)作情況。每天隨著位置和時(shí)間變化，照明條件會(huì)發(fā)生很大變化，并且這些設(shè)備使用電池供電，因此必須使傳感器的電流消耗盡可能低。此外，不同的佩戴者具有不同的膚色，這使問(wèn)題變得更具挑戰(zhàn)性。根據(jù)描述，深色皮膚的灌注指數(shù)比淺色皮膚低，這意味著要進(jìn)行測(cè)量，需要更大的照明強(qiáng)度（需要傳感器消耗更多功率）。接下來(lái)，我們看看用于進(jìn)行PPG測(cè)量的不同AFE結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。
具有單個(gè)ADC通道的PPG AFE
增加LED電流或使用兩個(gè)LED，是一種非常直觀的增加皮膚照射強(qiáng)度的方式（圖4），它會(huì)增加皮膚的照射面積。但是，這種方法非常耗電，因?yàn)長(zhǎng)ED電流占到PPG系統(tǒng)總功耗的至少50%，根據(jù)佩戴者的皮膚灌注指數(shù)，平均功耗可能達(dá)到1 mW。總體而言，這種方法效率低下，且不利于電池壽命。
圖4. 使用兩個(gè)LED來(lái)提高皮膚照射強(qiáng)度。
具有兩個(gè)ADC通道的PPG AFE
我們可以使用一種更好的方法來(lái)增加皮膚照射量，即使用包含兩個(gè)PD的LED，可用于檢測(cè)更多的反射光（圖5）。
圖5. 使用包含兩個(gè)PD的LED來(lái)改善光檢測(cè)。
其優(yōu)勢(shì)在于，與使用單個(gè)PD相比，標(biāo)準(zhǔn)的20 mA LED電流可降低到10 mA，從而實(shí)現(xiàn)相同水平的總PD電流。在具有挑戰(zhàn)性的工作條件下（低皮膚灌注和/或當(dāng)佩戴者移動(dòng)時(shí)），系統(tǒng)算法確定需要更高的LED電流，此時(shí)系統(tǒng)靈敏度也會(huì)成比例增加。例如，使用與之前相同的LED電流，提供的PD電流會(huì)是之前的兩倍，這會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的總體靈敏度，雖然功耗成本會(huì)增加。
具有四個(gè)ADC通道的PPG AFE
使用四個(gè)PD（需要一個(gè)四通道ADC）來(lái)檢測(cè)反射光可以節(jié)省更多功率（圖6），這是因?yàn)長(zhǎng)ED可以更低功率運(yùn)行（表1）。
圖6. 使用一個(gè)LED和四個(gè)PD進(jìn)行PPG測(cè)量。
表1. 1通道、2通道和4通道ADC結(jié)構(gòu)的典型功耗比較
表1匯總列出之前考慮的各種結(jié)構(gòu)的相對(duì)功耗，假設(shè)典型電源電壓為1.6 V。
這種結(jié)構(gòu)提供更高質(zhì)量的讀數(shù)，這是因?yàn)檠芎凸趋涝谑滞笊系姆植际遣粚?duì)稱(chēng)的，但四個(gè)PD可以幫助消除運(yùn)動(dòng)，以及設(shè)備佩戴松緊度帶來(lái)的影響。四個(gè)PD接收器也增大了檢測(cè)所照射血管反射光的幾率。圖7中的圖表顯示使用4個(gè)光電二極管（配置為獨(dú)立的兩對(duì)：LEDC1和LEDC2）測(cè)量的HR與參考測(cè)量值(polar)之間的對(duì)比。可穿戴設(shè)備需要確保在測(cè)量過(guò)程中保持良好的皮膚接觸。最初，佩戴者先休息，5分鐘（300秒）之后開(kāi)始鍛煉，導(dǎo)致其HR開(kāi)始上升。很明顯，LEDC1和LEDC2上的信號(hào)與參考測(cè)量值的偏差程度不同，所以，使用兩對(duì)PD來(lái)捕捉信號(hào)并綜合考慮所有這些偏差是有益的。
圖7. 使用兩對(duì)獨(dú)立PD時(shí)獲得的HR讀數(shù)。
實(shí)用的四通道ADC解決方案
MAX86177 （圖8）是一款超低功耗的四通道光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有發(fā)射和接收通道，非常適合用于臨床級(jí)（以及通用）便攜式和可穿戴設(shè)備。其發(fā)射端集成兩個(gè)高電流8位可編程LED驅(qū)動(dòng)器，支持多達(dá)6個(gè)LED。接收端集成4個(gè)低噪聲電荷積分前端，每個(gè)前端包含一個(gè)獨(dú)立的20位ADC，可以多路復(fù)用來(lái)自8個(gè)PD（配置為四個(gè)獨(dú)立對(duì)）的輸入信號(hào)。它實(shí)現(xiàn)了118 dB的動(dòng)態(tài)范圍，在120 Hz下提供高達(dá)90 dB的環(huán)境光消除(ALC)。主電源電壓為1.8 V，LED驅(qū)動(dòng)電源電壓為3.1 V至5.5 V。該設(shè)備為I2C和SPI兼容接口提供完全自主支持。MAX86177采用2.83 mm × 1.89 mm、28引腳(7 × 4)晶圓級(jí)封裝(WLP)，工作溫度范圍為–40°C至+85°C。該AFE的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試樣本顯示缺氧測(cè)量的總均方根誤差為3.12%，在FDA為臨床級(jí)監(jiān)護(hù)儀設(shè)定的3.5%限制范圍內(nèi)。
圖8. MAX86177四通道光學(xué)AFE的框圖。
結(jié)論
臨床級(jí)可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)，就是如何在不顯著消耗設(shè)備電池壽命的情況下進(jìn)行光學(xué)PPG測(cè)量，獲取HR和SpO2數(shù)值。在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中，可以看出，與使用單個(gè)LED和PD的基本結(jié)構(gòu)相比，四通道ADC結(jié)構(gòu)可以節(jié)省高達(dá)60%的功率。MAX86177的四通道結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)小型封裝中，非常適合用于手指、手腕和耳戴式可穿戴設(shè)備，進(jìn)行臨床級(jí)HR和SpO2測(cè)量。它也可用于測(cè)量身體水分含量、肌肉和組織的氧飽和度（SmO2和StO2），以及最大耗氧量（VO2最大值）。
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