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想让可穿戴设备拥有临床级PPG?看这里就对了

关键词:可穿戴设备 临床级PPG 低功耗传感器IC

时间:2022-11-18 17:02:47      来源:ADI

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。

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
(mA)

LED电源
(mW)

AFE电源
(mW)

总功耗
(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。

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