心率 （HR） 和血氧飽和度 （SpO2）正在迅速從健康和健身可穿戴設(shè)備可用功能列表中的“理想”階段轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦A(yù)期”階段。然而，這種轉(zhuǎn)變的結(jié)果是，由于一些傳感器制造商急于滿足市場(chǎng)對(duì)這些功能的需求，對(duì)其產(chǎn)品的準(zhǔn)確性提出可疑的聲明，導(dǎo)致讀數(shù)質(zhì)量下降。雖然讀數(shù)的準(zhǔn)確性在日?？纱┐髟O(shè)備中可能并不重要，但在臨床級(jí)可穿戴設(shè)備中，測(cè)量的質(zhì)量和完整性必須是毋庸置疑的。設(shè)計(jì)師面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何制作高質(zhì)量的人力資源和SpO2測(cè)量方式不會(huì)對(duì)設(shè)備的電池造成嚴(yán)重消耗。在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中，我們展示了為什么傳統(tǒng)的光學(xué)讀數(shù)方法會(huì)浪費(fèi)功率，然后展示一種傳感器IC，該IC使用新穎的架構(gòu)來大幅降低功耗，同時(shí)進(jìn)行臨床級(jí)測(cè)量。

光電容積脈搏波

人力資源和SpO2使用稱為光電容積脈搏波或PPG的光學(xué)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。通過使用發(fā)光二極管（LED）照射皮膚并使用光電二極管（PD）檢測(cè)從表面以下血管反射的光強(qiáng)度的變化（圖2）獲得PPG信號(hào)，該光電二極管（PD）產(chǎn)生與接收光量成比例的電流。

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)理，然后由ADC轉(zhuǎn)換，由系統(tǒng)微控制器上運(yùn)行的光學(xué)算法進(jìn)行處理。原則上，單個(gè)LED-PD對(duì)足以進(jìn)行PPG測(cè)量，這種結(jié)構(gòu)在臨床環(huán)境中使用的設(shè)備中很常見。

但是，這些設(shè)備的運(yùn)行條件與日常生活中遇到的條件大不相同。首先，患者相對(duì)不動(dòng)，并使用牢固固定在指尖上的傳感器進(jìn)行測(cè)量。照明條件相對(duì)恒定，這簡化了PD的光檢測(cè)，并且功耗不是問題，因?yàn)檫@些設(shè)備通常是由市電供電的。

相比之下，可穿戴設(shè)備通常是腕戴式的，這意味著皮膚接觸的程度會(huì)有所不同，具體取決于個(gè)人喜好（表帶松緊度）和佩戴者的運(yùn)動(dòng)。照明條件可能會(huì)因位置和一天中的時(shí)間而有很大差異，并且由于這些設(shè)備由電池供電，因此傳感器的電流消耗必須盡可能低。不同佩戴者的膚色各不相同，這使得這一點(diǎn)更具挑戰(zhàn)性。深色皮膚被描述為灌注指數(shù)低于淺色皮膚，這意味著它需要更大的照明（需要傳感器使用更多功率）才能進(jìn)行測(cè)量。接下來，我們將考慮可用于進(jìn)行PPG測(cè)量的不同AFE架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

具有單ADC通道的PPG AFE

增加 LED 電流或使用兩個(gè) LED 是實(shí)現(xiàn)更高皮膚照明度的直觀方法（圖 4），因?yàn)樗梢哉樟粮蟮钠つw區(qū)域。然而，這是一種耗電的方法，因?yàn)長ED電流至少占PPG系統(tǒng)功耗的50%，根據(jù)佩戴者的皮膚灌注指數(shù)，平均可達(dá)1 mW?？傮w而言，這種方法效率低下，不利于電池壽命。

圖4.使用兩個(gè) LED 實(shí)現(xiàn)更好的皮膚照明。

具有雙通道 ADC 通道的 PPG AFE

增加皮膚照度的更好方法是使用帶有兩個(gè)PD的單個(gè)LED，可用于檢測(cè)更多的反射光（圖5）。

圖5.使用一個(gè) LED 和兩個(gè) PD，以獲得更好的光檢測(cè)。

優(yōu)點(diǎn)是，與使用單個(gè)PD相比，標(biāo)準(zhǔn)20 mA LED電流可以降低到10 mA，以實(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（皮膚灌注不足和/或佩戴者移動(dòng)時(shí)），系統(tǒng)算法確定需要更高的LED電流，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈敏度的成比例提高。例如，應(yīng)用與先前布置相同的LED電流可使PD電流增加100%，從而提供更高的整體靈敏度，盡管代價(jià)是功耗增加。

具有四通道ADC通道的PPG AFE

使用四個(gè)PD（需要四通道ADC）檢測(cè)反射光可以節(jié)省更多功率（圖6），因?yàn)長ED的運(yùn)行功率要低得多（表1）。

圖6.PPG 使用一個(gè) LED 和四個(gè) PD。

表1總結(jié)了之前考慮的每種架構(gòu)的相對(duì)功耗，假設(shè)典型電源電壓為1.6 V。

這種架構(gòu)提供更高質(zhì)量的讀數(shù)，因?yàn)檠芎凸趋啦粚?duì)稱地分布在手腕中，四個(gè)PD有助于減輕運(yùn)動(dòng)的影響以及佩戴者固定設(shè)備的緊密程度。四個(gè)PD接收器還增加了檢測(cè)從照明血管反射的光的概率。圖 7 中的圖表顯示了使用四個(gè)光電二極管（配置為兩個(gè)獨(dú)立對(duì)：LEDC1 和 LEDC2）相對(duì)于參考測(cè)量（極性）測(cè)量的心率。可穿戴設(shè)備需要確保在進(jìn)行此測(cè)量時(shí)保持良好的皮膚接觸。最初，佩戴者處于休息狀態(tài)，然后在 5 分鐘（300 秒）后開始鍛煉，導(dǎo)致他們的心率增加。很明顯，LEDC1和LEDC2上的信號(hào)與參考測(cè)量的偏差不同，使用兩對(duì)PD捕獲和組合所有這些偏差的好處是顯而易見的。

圖7.使用兩對(duì)獨(dú)立PD的HR讀數(shù)。

實(shí)用的四通道ADC解決方案

MAX86177（圖8）為超低功耗四通道光數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有發(fā)射和接收通道，理想用于臨床級(jí)（以及通用）便攜式和可穿戴設(shè)備。在發(fā)射器側(cè)，它具有兩個(gè)大電流 8 位可編程 LED 驅(qū)動(dòng)器，支持多達(dá) 6 個(gè) LED。在接收器側(cè)，它具有四個(gè)低噪聲電荷積分前端，每個(gè)前端包括獨(dú)立的20位ADC，可以多路復(fù)用來自八個(gè)PD的輸入信號(hào)（配置為四個(gè)獨(dú)立的對(duì)）。它實(shí)現(xiàn)了 118 dB 的動(dòng)態(tài)范圍，并在 120 Hz 時(shí)提供高達(dá) 90 dB 的環(huán)境光消除 （ALC）。它采用1.8 V主電源供電，LED驅(qū)動(dòng)器電源電壓為3.1 V至5.5 V 。該器件為 I2C 和 SPI 兼容接口提供完全自主的支持。MAX86177采用7 × 4、28引腳晶圓級(jí)封裝（WLP），尺寸為2.83 mm×1.89 mm，工作溫度范圍為–40°C至+85°C。該AFE的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試樣品在缺氧測(cè)量時(shí)表現(xiàn)出3.12%的總均方根誤差，遠(yuǎn)在FDA為臨床級(jí)監(jiān)測(cè)儀設(shè)定的3.5%限制之內(nèi)。

圖8.MAX86177四通道光學(xué)AFE框圖

結(jié)論

臨床級(jí)可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)人員最頭疼的是如何對(duì)HR和SpO進(jìn)行光學(xué)PPG測(cè)量2不會(huì)顯著消耗設(shè)備的電池壽命。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們已經(jīng)證明，與使用單個(gè)LED和PD的基本架構(gòu)相比，四通道ADC架構(gòu)可節(jié)省高達(dá)60%的功耗。MAX86177的四通道架構(gòu)采用小尺寸封裝，理想用于手指、腕部和耳戴式可穿戴設(shè)備，以測(cè)量臨床級(jí)心率和SpO2.它還可用于測(cè)量身體水合作用、肌肉和組織氧飽和度（SmO2和 StO2）和最大耗氧量（VO2最大）。

審核編輯：郭婷