【導(dǎo)讀】在健康和健身可穿戴設(shè)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(jìn)入“有望實現(xiàn)”階段。但是,這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致讀數(shù)質(zhì)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(chǎn)品的讀數(shù)質(zhì)量,由此引發(fā)了人們對其產(chǎn)品準(zhǔn)確性的質(zhì)疑。
雖然在日常使用的可穿戴設(shè)備中,讀數(shù)準(zhǔn)確性可能不太關(guān)鍵,但在臨床級可穿戴設(shè)備中,測量結(jié)果的質(zhì)量和完整性必須無可置疑。設(shè)計人員面臨一個關(guān)鍵挑戰(zhàn):如何在進(jìn)行高質(zhì)量的HR和SpO2測量時,不會消耗過多的設(shè)備電池電量?在這個設(shè)計解決方案中,我們先展示為什么傳統(tǒng)的光學(xué)讀數(shù)方法會浪費電能,然后介紹一種采用新型結(jié)構(gòu)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(shù)來測量HR和SpO2,這種技術(shù)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(chǎn)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(shè)備測量HR和SpO2。
圖2. 使用LED和PD進(jìn)行PPG測量。
電流信號由PPG模擬前端(AFE)調(diào)節(jié),然后由ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以便系統(tǒng)微控制器上運行的光學(xué)算法進(jìn)行處理。原則上,單對LED-PD就足以進(jìn)行PPG測量,這種結(jié)構(gòu)在臨床設(shè)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(shè)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(jìn)行測量。照明條件相對穩(wěn)定,這會簡化PD的光檢測,這些設(shè)備一般都由主電源供電,因而不用擔(dān)心功耗問題。
相比之下,可穿戴設(shè)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(shè)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(jù)描述,深色皮膚的灌注指數(shù)比淺色皮膚低,這意味著要進(jìn)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(jìn)行PPG測量的不同AFE結(jié)構(gòu)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(jù)佩戴者的皮膚灌注指數(shù),平均功耗可能達(dá)到1 mW。總體而言,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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(jìn)行PPG測量。
表1. 1通道、2通道和4通道ADC結(jié)構(gòu)的典型功耗比較
表1匯總列出之前考慮的各種結(jié)構(gòu)的相對功耗,假設(shè)典型電源電壓為1.6 V。
這種結(jié)構(gòu)提供更高質(zhì)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(xué)數(shù)據(jù)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(shè)備。其發(fā)射端集成兩個高電流8位可編程LED驅(qū)動器,支持多達(dá)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(fù)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(dá)90 dB的環(huán)境光消除(ALC)。主電源電壓為1.8 V,LED驅(qū)動電源電壓為3.1 V至5.5 V。該設(shè)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(hù)儀設(shè)定的3.5%限制范圍內(nèi)。
圖8. MAX86177四通道光學(xué)AFE的框圖。
結(jié)論
臨床級可穿戴設(shè)備設(shè)計人員面臨的主要挑戰(zhàn),就是如何在不顯著消耗設(shè)備電池壽命的情況下進(jìn)行光學(xué)PPG測量,獲取HR和SpO2數(shù)值。在這個設(shè)計解決方案中,可以看出,與使用單個LED和PD的基本結(jié)構(gòu)相比,四通道ADC結(jié)構(gòu)可以節(jié)省高達(dá)60%的功率。MAX86177的四通道結(jié)構(gòu)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(shè)備,進(jìn)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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