智能穿戴

                      想讓可穿戴設備擁有臨床級PPG? 看這里就對了

                      2025China.cn   2022年11月18日

                      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”階段。不過,這種轉變卻導致讀數質量下降。這是由于一些傳感器制造商急于滿足市場需求,放松了產品質量,引發人們對產品精確度的質疑。雖然對于日常使用的可穿戴設備,讀數準確性可能不太關鍵,但在臨床級可穿戴設備上,測量結果的質量和完整性則必須可靠。因此設計人員面臨著一個關鍵挑戰: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?對此,ADI將在本文介紹為何傳統光學讀數方法會浪費電能,并提供一種采用新型架構、可執行臨床級測量的低功耗傳感器IC。

                      圖1.使用腕戴式設備測量HR和SpO2

                      光電容積脈搏波描記法(PPG)

                      ADI使用一種光電技術來測量HR和SpO2,這種技術被稱為光電容積脈搏波描記法或PPG(圖1)。通過使用發光二極管(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2.使用LED和PD進行PPG測量

                      電流信號由PPG模擬前端(AFE)調節,然后由ADC進行轉換,以便系統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.在臨床環境中測量SpO2和HR

                      盡管如此,這些設備的運行環境與日常生活中的環境完全不同。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性。根據描述,深色皮膚的灌注指數比淺色皮膚低,這意味著要進行測量就需要更大的照明強度(需要傳感器消耗更多功率)。接下來,看看用于進行PPG測量的不同AFE結構的優點。

                      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系統總功耗的至少50%,根據佩戴者的皮膚灌注指數,平均功耗可能達到1mW??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

                      當然還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

                      其優勢在于,與使用單個PD相比,標準的20mA LED電流可降低到10mA,從而實現相同水平的總PD電流。在具有挑戰性的工作條件下(低皮膚灌注和/或當佩戴者移動時),系統算法確定需要更高的LED電流,此時系統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1.6V。

                      表1.1通道、2通道和4通道ADC結構的典型功耗比較

                      這種結構提供更高質量的讀數,因為血管和骨骼在手腕上的分布是不對稱的,而四個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??纱┐髟O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

                      圖8.MAX86177四通道光學AFE的框圖

                      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據采集系統,具有發射和接收通道,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。它實現了118dB的動態范圍,在120Hz下提供高達90dB的環境光消除(ALC)。主電源電壓為1.8V,LED驅動電源電壓為3.1V至5.5V。該設備為I2C和SPI兼容接口提供完全自主支持。MAX86177采用2.83mm × 1.89mm、28引腳(7×4)晶圓級封裝(WLP),工作溫度范圍為–40oC至+85oC。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為臨床級監護儀設定的3.5%限制范圍內。

                      結論

                      臨床級可穿戴設備設計人員面臨的主要挑戰,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數值。在ADI的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)。

                      (ADI)

                      標簽:ADI 可穿戴設備 我要反饋 
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