【導讀】在健康和健身可穿戴設備的功能列表中，心率(HR)和血氧飽和度(SpO2)正迅速從“期待擁有”階段進入“有望實現(xiàn)”階段。但是，這種轉變導致讀數(shù)質量下降，這是因為一些傳感器制造商在急于滿足市場對這些功能的需求時，放松了其產品的讀數(shù)質量，由此引發(fā)了人們對其產品準確性的質疑。
雖然在日常使用的可穿戴設備中，讀數(shù)準確性可能不太關鍵，但在臨床級可穿戴設備中，測量結果的質量和完整性必須無可置疑。設計人員面臨一個關鍵挑戰(zhàn)：如何在進行高質量的HR和SpO2測量時，不會消耗過多的設備電池電量？在這個設計解決方案中，我們先展示為什么傳統(tǒng)的光學讀數(shù)方法會浪費電能，然后介紹一種采用新型結構的傳感器IC，它能執(zhí)行臨床級測量，同時大幅降低功耗。
光電容積脈搏波描記法(PPG)
我們使用一種光電技術來測量HR和SpO2，這種技術稱為光電容積脈搏波描記法或PPG（圖1）。通過使用發(fā)光二極管(LED)照射皮膚，并使用光電二極管(PD)產生與接收到的光量成比例的電流，檢測從表面以下血管反射的光強度的變化（圖2）可獲得PPG信號。
圖1. 使用腕戴式設備測量HR和SpO2。
圖2. 使用LED和PD進行PPG測量。
電流信號由PPG模擬前端(AFE)調節(jié)，然后由ADC進行轉換，以便系統(tǒng)微控制器上運行的光學算法進行處理。原則上，單對LED-PD就足以進行PPG測量，這種結構在臨床設備中很常見（圖3）。
圖3. 在臨床環(huán)境中測量SpO2 和HR。
但是，這些設備的運行環(huán)境與日常生活中的環(huán)境完全不同。首先，患者保持不動，由夾在患者指尖的傳感器進行測量。照明條件相對穩(wěn)定，這會簡化PD的光檢測，這些設備一般都由主電源供電，因而不用擔心功耗問題。
相比之下，可穿戴設備一般是戴在手腕上，這意味著，接觸皮膚的程度不同，一般取決于個人偏好（腕帶的松緊度）和佩戴者的動作情況。每天隨著位置和時間變化，照明條件會發(fā)生很大變化，并且這些設備使用電池供電，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，這使問題變得更具挑戰(zhàn)性。根據描述，深色皮膚的灌注指數(shù)比淺色皮膚低，這意味著要進行測量，需要更大的照明強度（需要傳感器消耗更多功率）。接下來，我們看看用于進行PPG測量的不同AFE結構的優(yōu)點。
具有單個ADC通道的PPG AFE
增加LED電流或使用兩個LED，是一種非常直觀的增加皮膚照射強度的方式（圖4），它會增加皮膚的照射面積。但是，這種方法非常耗電，因為LED電流占到PPG系統(tǒng)總功耗的至少50%，根據佩戴者的皮膚灌注指數(shù)，平均功耗可能達到1 mW?？傮w而言，這種方法效率低下，且不利于電池壽命。
圖4. 使用兩個LED來提高皮膚照射強度。
具有兩個ADC通道的PPG AFE
我們可以使用一種更好的方法來增加皮膚照射量，即使用包含兩個PD的LED，可用于檢測更多的反射光（圖5）。
圖5. 使用包含兩個PD的LED來改善光檢測。
其優(yōu)勢在于，與使用單個PD相比，標準的20 mA LED電流可降低到10 mA，從而實現(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/或當佩戴者移動時），系統(tǒng)算法確定需要更高的LED電流，此時系統(tǒng)靈敏度也會成比例增加。例如，使用與之前相同的LED電流，提供的PD電流會是之前的兩倍，這會實現(xiàn)更高的總體靈敏度，雖然功耗成本會增加。
具有四個ADC通道的PPG AFE
使用四個PD（需要一個四通道ADC）來檢測反射光可以節(jié)省更多功率（圖6），這是因為LED可以更低功率運行（表1）。
圖6. 使用一個LED和四個PD進行PPG測量。
表1. 1通道、2通道和4通道ADC結構的典型功耗比較
表1匯總列出之前考慮的各種結構的相對功耗，假設典型電源電壓為1.6 V。
這種結構提供更高質量的讀數(shù)，這是因為血管和骨骼在手腕上的分布是不對稱的，但四個PD可以幫助消除運動，以及設備佩戴松緊度帶來的影響。四個PD接收器也增大了檢測所照射血管反射光的幾率。圖7中的圖表顯示使用4個光電二極管（配置為獨立的兩對：LEDC1和LEDC2）測量的HR與參考測量值(polar)之間的對比。可穿戴設備需要確保在測量過程中保持良好的皮膚接觸。最初，佩戴者先休息，5分鐘（300秒）之后開始鍛煉，導致其HR開始上升。很明顯，LEDC1和LEDC2上的信號與參考測量值的偏差程度不同，所以，使用兩對PD來捕捉信號并綜合考慮所有這些偏差是有益的。
圖7. 使用兩對獨立PD時獲得的HR讀數(shù)。
實用的四通道ADC解決方案
MAX86177 （圖8）是一款超低功耗的四通道光學數(shù)據采集系統(tǒng)，具有發(fā)射和接收通道，非常適合用于臨床級（以及通用）便攜式和可穿戴設備。其發(fā)射端集成兩個高電流8位可編程LED驅動器，支持多達6個LED。接收端集成4個低噪聲電荷積分前端，每個前端包含一個獨立的20位ADC，可以多路復用來自8個PD（配置為四個獨立對）的輸入信號。它實現(xiàn)了118 dB的動態(tài)范圍，在120 Hz下提供高達90 dB的環(huán)境光消除(ALC)。主電源電壓為1.8 V，LED驅動電源電壓為3.1 V至5.5 V。該設備為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)晶圓級封裝(WLP)，工作溫度范圍為–40°C至+85°C。該AFE的實驗室測試樣本顯示缺氧測量的總均方根誤差為3.12%，在FDA為臨床級監(jiān)護儀設定的3.5%限制范圍內。
圖8. MAX86177四通道光學AFE的框圖。
結論
臨床級可穿戴設備設計人員面臨的主要挑戰(zhàn)，就是如何在不顯著消耗設備電池壽命的情況下進行光學PPG測量，獲取HR和SpO2數(shù)值。在這個設計解決方案中，可以看出，與使用單個LED和PD的基本結構相比，四通道ADC結構可以節(jié)省高達60%的功率。MAX86177的四通道結構集成在一個小型封裝中，非常適合用于手指、手腕和耳戴式可穿戴設備，進行臨床級HR和SpO2測量。它也可用于測量身體水分含量、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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