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想让可穿戴设备拥有临床级PPG?

微云疏影 来源:ADI 作者:ADI 2022-12-07 09:40 次阅读

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

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

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图.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)。

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。

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图.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)。

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图.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)。

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图.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

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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。

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图.使用两对独立PD时获得的HR读数

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图.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–40?C至+85?C。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)。

审核编辑 :李倩

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