想让可穿戴设备拥有临床级PPG？ 看这里就对了

作者：ADI执行业务经理Andrew Burt

在健康和健身可穿戴设备的功能列表中，心率(HR)和血氧饱和度(SpO2)正迅速从“期待拥有”阶段进入“有望实现”阶段。不过，这种转变却导致读数质量下降。这是由于一些传感器制造商急于满足市场需求，放松了产品质量，引发人们对产品精确度的质疑。虽然对于日常使用的可穿戴设备，读数准确性可能不太关键，但在临床级可穿戴设备上，测量结果的质量和完整性则必须可靠。因此设计人员面临着一个关键挑战：如何在进行高质量的HR和SpO2测量时，不会消耗过多的设备电池电量？对此，ADI将在本文介绍为何传统光学读数方法会浪费电能，并提供一种采用新型架构、可执行临床级测量的低功耗传感器IC。


图1.使用腕戴式设备测量HR和SpO2

光电容积脉搏波描记法(PPG)

ADI使用一种光电技术来测量HR和SpO2，这种技术被称为光电容积脉搏波描记法或PPG（图1）。通过使用发光二极管(LED)照射皮肤，并使用光电二极管(PD)产生与接收到的光量成比例的电流，检测从表面以下血管反射的光强度的变化（图2）可获得PPG信号。


图2.使用LED和PD进行PPG测量

电流信号由PPG模拟前端(AFE)调节，然后由ADC进行转换，以便系统微控制器上运行的光学算法进行处理。原则上，单对LED-PD就足以进行PPG测量，这种结构在临床设备中很常见（图3）。


图3.在临床环境中测量SpO2和HR

尽管如此，这些设备的运行环境与日常生活中的环境完全不同。首先，患者保持不动，由夹在患者指尖的传感器进行测量。照明条件相对稳定，这会简化PD的光检测，这些设备一般都由主电源供电，因而不用担心功耗问题。

相比之下，可穿戴设备一般是戴在手腕上，这意味着，接触皮肤的程度不同，一般取决于个人偏好（腕带的松紧度）和佩戴者的动作情况。每天随着位置和时间变化，照明条件会发生很大变化，并且这些设备使用电池供电，因此必须使传感器的电流消耗尽可能低。此外，不同的佩戴者具有不同的肤色，这使问题变得更具挑战性。根据描述，深色皮肤的灌注指数比浅色皮肤低，这意味着要进行测量就需要更大的照明强度（需要传感器消耗更多功率）。接下来，看看用于进行PPG测量的不同AFE结构的优点。

具有单个ADC通道的PPG AFE

增加LED电流或使用两个LED，是一种非常直观的增加皮肤照射强度的方式（图4），它会增加皮肤的照射面积。但是，这种方法非常耗电，因为LED电流占到PPG系统总功耗的至少50%，根据佩戴者的皮肤灌注指数，平均功耗可能达到1mW。总体而言，这种方法效率低下，且不利于电池寿命。


图4.使用两个LED来提高皮肤照射强度

具有两个ADC通道的PPG AFE

当然还可以使用一种更好的方法来增加皮肤照射量，即使用包含两个PD的LED，可用于检测更多的反射光（图5）。


图5.使用包含两个PD的LED来改善光检测

其优势在于，与使用单个PD相比，标准的20mA LED电流可降低到10mA，从而实现相同水平的总PD电流。在具有挑战性的工作条件下（低皮肤灌注和/或当佩戴者移动时），系统算法确定需要更高的LED电流，此时系统灵敏度也会成比例增加。例如，使用与之前相同的LED电流，提供的PD电流会是之前的两倍，这会实现更高的总体灵敏度，虽然功耗成本会增加。

具有四个ADC通道的PPG AFE

使用四个PD（需要一个四通道ADC）来检测反射光可以节省更多功率（图6），这是因为LED可以更低功率运行（表1）。


图6.使用一个LED和四个PD进行PPG测量

表1汇总列出之前考虑的各种结构的相对功耗，假设典型电源电压为1.6V。

表1.1通道、2通道和4通道ADC结构的典型功耗比较

    ADC通道数  LED数  LED电流  LED电源  AFE电源  总功耗
  (mA)  (mW)  (mW)  (mW)
  1  1  20  320  30  350
  2  1  10  160  40  200
  4  1  5  80  60  140

这种结构提供更高质量的读数，因为血管和骨骼在手腕上的分布是不对称的，而四个PD可以帮助消除运动以及设备佩戴松紧度带来的影响。四个PD接收器也增大了检测所照射血管反射光的几率。图7中的图表显示使用4个光电二极管（配置为独立的两对：LEDC1和LEDC2）测量的HR与参考测量值(polar)之间的对比。可穿戴设备需要确保在测量过程中保持良好的皮肤接触。最初，佩戴者先休息，5分钟（300秒）之后开始锻炼，导致其HR开始上升。很明显，LEDC1和LEDC2上的信号与参考测量值的偏差程度不同，所以，使用两对PD来捕捉信号并综合考虑所有这些偏差是有益的。


图7.使用两对独立PD时获得的HR读数


图8.MAX86177四通道光学AFE的框图

实用的四通道ADC解决方案

MAX86177（图8）是一款超低功耗的四通道光学数据采集系统，具有发射和接收通道，非常适合用于临床级（以及通用）便携式和可穿戴设备。其发射端集成两个高电流8位可编程LED驱动器，支持多达6个LED。接收端集成4个低噪声电荷积分前端，每个前端包含一个独立的20位ADC，可以多路复用来自8个PD（配置为四个独立对）的输入信号。它实现了118dB的动态范围，在120Hz下提供高达90dB的环境光消除(ALC)。主电源电压为1.8V，LED驱动电源电压为3.1V至5.5V。该设备为I2C和SPI兼容接口提供完全自主支持。MAX86177采用2.83mm × 1.89mm、28引脚(7×4)晶圆级封装(WLP)，工作温度范围为–40oC至+85oC。该AFE的实验室测试样本显示缺氧测量的总均方根误差为3.12%，在FDA为临床级监护仪设定的3.5%限制范围内。

结论

临床级可穿戴设备设计人员面临的主要挑战，就是如何在不显著消耗设备电池寿命的情况下进行光学PPG测量，获取HR和SpO2数值。在ADI的设计解决方案中可以看出，与使用单个LED和PD的基本结构相比，四通道ADC结构可以节省高达60%的功率。MAX86177的四通道结构集成在一个小型封装中，非常适合用于手指、手腕和耳戴式可穿戴设备，进行临床级HR和SpO2测量。它也可用于测量身体水分含量、肌肉和组织的氧饱和度（SmO2和StO2），以及最大耗氧量（VO2最大值）。

关于作者

Andrew Burt是ADI公司数字医疗健康事业部的执行业务经理。他主要负责公司的医疗健康产品业务开发，包括传感器、AFE、光学模块和算法。Andrew还帮助定义新的传感器，这将是未来健康和疾病管理解决方案的一部分。他在牛津布鲁克斯大学攻读电气和电子工程专业。