如何实现光学体征信号监测？这里有一个从光学模块到系统构建的方法论

面对日益紧张，快节奏的现代生活，越来越多的人对压力监测表现出浓厚兴趣。目前有两种方式可以测出压力水平，一种是阻抗监测，因为当人们紧张时，皮肤阻抗会发生变化；一种是光学测量技术，该技术意味着，对于压力测量可以侧重测量心率和心率变化。无论是阻抗测量还是光学测量，ADI公司均已涉猎很长时间了。其中光学测量技术已经被应用到不同的应用场景当中，生命体征监测就是其中之一。在通过光学技术测量生命体征方面，ADI运用的是PPG（光电容积脉搏波）监测技术，实际上就是把光注入人体或组织当中，然后通过透射法或反射法测量响应。

PPG技术，发射发走向主流

在医院里，医生会在我们的手指上夹上夹子，通过夹子把光注入手指。在另一侧，用光电二极管测量光吸收率或者穿过手指的光量。这就是经典的血氧测量系统。

图1.用于监测心血管体系压力和容积的方法

如今，越来越多的设计者抛弃透射系统，转向反射系统。因为在透射测量技术中，信号强度要大得多，而反射技术更方便一些。反射技术可以把传感器集成到一个器件当中，不需要使光穿过身体的某个部位，只需要在同一部位测量发射器和接收器上的光即可。这实际上就是PPG信号的样子，先是顶点，然后是一个很小的反射点。

从LED到光学模块，细说光学系统的构建

光学系统的构建似乎并不是很简单。首先需要生成被注入人体的光，一般采用的是LED；然后需要信号调理模块。根据应用场景的不同，可能只有一个光波长，也可能有两个或者三个。如下图所示的应用场景中，采用绿光监测心率、红外光监测血氧饱和度（SPO2）。在作为接口的光电二极管之后是一个模数转换器。此外，有LED控制，是用相同的模拟前端驱动的。

图2.ADI公司光接收信号链与ADPDxxxx系列

对于这个信号链，ADI推出了完整的集成式光传感器ADPD22XX系列。虽然光学系统并非始终都需要集成这类光传感器，但是，如果要测量血氧饱和度SPO2，相比光硬驱系统，信噪比需要高得多。所以对于这类应用场景，增加一个嵌入放大器的光传感器就非常有用了。另外，ADI还有完整的子系统集成式模拟前端——ADPD10X或108X系列，该系列前端集成了20倍放大器。其后是一个调理模块、模数转换器，此外还集成了LED驱动器。就光学模块而言，ADI也可以提供全系列的光学模块产品，包括ADPD14、17和18X系列。

克服光学系统构建挑战，ADI产品全方位应对

在设计光学系统时，有一些问题要考虑，比如环境光的干扰有可能轻松破坏掉测量结果。因此，如果要设计这样的系统，就需要确保能抑制环境光的干扰。环境光通常来自太阳，抑制起来比较容易，只要添加一个小滤波器，就能完全抑制。但是室内采用的是LED一类开关频率为350KHz的固态照明，这类光抑制起来就要困难得多。ADI的环境光抑制模块（例如ADPD17X和ADPD18X系列）具有强大的外部干扰抑制能力，能够非常有效地抑制外部光干扰。

图3.ADI ADPD174GGI光学模块及其后续产品

然后，运动也是一个必须考虑的因素，因为其干扰可能造成大量的伪影。例如采用戴在腕部的测量器件，在测量光学心率时，双手可能在移动，移动的基频很可能刚好与心跳处在相同的范围内，这时就需要进行补偿。一般可以通过机械方式进行补偿，比如，通过腕带使器件紧贴皮肤，这样做会起到一定的作用，能抑制运动产生的部分伪影，但同时还要做的是，集成或者建议集成运动传感器。在这方面，ADI的超低功耗、3轴MEMS加速度计ADXL362就是一个不错的选择。

图4. ADXL362是业内功耗极低的MEMS加速度计

此外，对于光学系统而言，还需要考虑的还包括人体生理机能、肤色、系统的机械因素（例如LED与光电二极管之间的距离）等。针对模拟前端，ADI开发了相应的产品——ADPD10X系列光度测量前端，该系列产品有助于克服上述的各种挑战。新一代的ADPD108X系列与上一代系列产品相比，在功耗相同的情况下，可以提高信噪比；也可以使信噪比与以前的系列保持一致，但可以实现更优化的低功耗。

图5.ADI第二代和第三代光学模拟前端产品对比

结语

可以看出，在光学法测量生理体征信号方面，ADI可以提供完整的光系列传感器及信号处理方案。据悉，ADI专门应用于光学法测量的各类生理体征信号的ADPD系列产品是目前市面上（可以看到的）集成较高（Photodiode+LED+模拟前端采集AFE+LEDdriver+环境光抑制等，输出就是I2C的数字量）、体积小、功耗低（十分灵活的配置）、性能好（在体积，功耗都很有优势的同时）以及非常成熟（早已有大量出货）的解决方案。总之，ADI公司始终都走在这个市场的前沿，积极开发相关产品和解决方案，以实现新一代生命体征监测。