不折不扣的光学集成模块

作者：Dr. János Pálhalmi (PhD) and Jan-Hein Broeders

光电容积脉搏波 （PPG） 是测量血氧饱和度 （SPO） 的常用技术2）血液中的水平。光由光发射器发送到体内，并用光接收器测量反射光或未吸收的光量。根据两个波长之间的比例，可以测量氧合血红蛋白的量。类似的技术也用于通过光学技术或心率变异性测量心率。

所有这些系统都需要一个或多个需要控制的光发射器，以及一个光电探测器来测量光电流量作为接收光的量度。该接收信号最终需要放大、调理和数字化。这样的光学系统听起来很简单;然而，由于缺少光学知识，检索光信号非常容易，这与用户正在寻找的信号没有任何关系。

为了帮助公司实现其光学目标，我们推出了一种新的、完全集成的光学模块。它已经过测试，并与久经考验的分立光学系统进行了比较，并具有出色的结果。

随着对家庭健康、保健和预防的日益关注，围绕用于跟踪几个重要参数的智能设备诞生了一个新的市场。最初，这始于胸带 - 使用生物电势技术监测心率 - 但在过去的五到八年中，利用光电容积脉搏波（PPG）向光学系统带来了重大转变。这项技术的最大优点是我们可以在身体的单个点进行测量，而生物电势系统需要至少两个电极来测量整个心脏。这不是非常用户友好，因此，对光学心率监测（HRM）和监测心率变异性（HRV）的兴趣急剧增加。

在设计这样的系统时，有几个问题需要回答。最终应用是什么，您想在身体的哪个位置进行测量，以及您有多少时间来开发系统？根据这些问题的答案，设计人员可能会遵循特定的设计路线。

测量PPG有两种不同的原则。您可以通过身体的某个部位（例如手指或耳垂）发送光，并测量对面接收或未吸收的光量;或者光在测量反射光量的身体的同一侧发送。与反射系统相比，通过身体传输进行测量可提供大约 40 dB 至 60 dB 的信号;但是，在反射系统中，您可以自由选择传感器的放置位置。

图1.光学HRM/HRV系统的经典框图。

由于大多数用户更喜欢传感器的舒适性而不是性能，因此反射测量变得更加流行。因此，本文将仅关注反射式测量。

在心跳的时间跨度内，心脏系统中的血液流量和体积会发生变化，导致接收到的反射光量散射。用于测量光学HRM/HRV的光源波长不仅取决于测量身体的位置，还取决于相对灌注水平以及组织的温度和色调。一般来说，对于佩戴在手腕上的设备，动脉不在手腕顶部，您需要从皮肤表面下方的静脉和毛细血管中拾取脉动成分。在这种情况下，绿灯效果最好。在血流量充足的地方，如上臂、太阳穴或耳道，红光或红外光可能更有效，因为它们会更深入地穿透组织，从而产生更强的接收信号。

ADPD188改变游戏规则了吗

在权衡传感器位置和LED波长等时，您需要选择最合适的光学解决方案。在模拟前端方面有很多选择，无论是分立构建的还是完全集成的，但也有多种光电探测器和LED可供选择。关键是要以这样一种方式放置发射器和接收器，以便为使用的每一毫安发射电流获得最大数量的接收信号。这称为电流传输比，通常以nA/mA为单位。在光学系统中同样重要的是调制指数，即交流信号量与光直流偏移的关系。当您增加光电传感器和 LED 之间的间距时，调制指数会提高。在光电探测器和LED之间的距离上存在一定的最佳点，这也取决于LED波长。在设计不当的机械系统中，LED光可以直接到达光电传感器，而不会穿透组织。这会导致直流失调，从而对调制指数产生负面影响。它表现为光串扰，也称为内部光污染（ILP）。

为了最大限度地减少设计工作并缩短上市时间，特别是对于光学知识很少的公司，ADI公司构建了一个完全集成的反射测量光学子系统。这称为ADPD188GG，包含运行光学测量所需的一切。

ADPD188GG是一款全新设计的光学模块，与前几代产品相比，尺寸不同。外形几乎是方形的，3.98 毫米 x 5.0 毫米，总厚度为 0.9 毫米。最大的改进是光电探测器，它比其前身旋转了 90°。相对于 LED，此传感器位置提供了更好的灵敏度。光电传感器本身已拆分为0.4毫米的尺寸2和 0.8 毫米2.这提供了灵活性，既可以增加整体光电二极管表面以提高灵敏度，也可以使用较小尺寸的检测器来防止传感器饱和。光电二极管放置在模拟前端的顶部。ADI公司正在使用独立的ADPD1080 AFE。它具有四个输入通道，每个通道围绕一个具有可选增益（25k、50k、100k 和 200k）的跨阻放大器、一个环境光抑制模块和一个 14 位 SAR ADC 设计。环境光抑制是在模拟域中完成的，与市场上的其他解决方案相比非常出色。最后，两个绿色LED由集成电流源控制，能够驱动高达370 mA的电流，脉冲窄至1 μs，以降低整体平均电流。该封装的设计方式使得透射的LED光在不穿透组织的情况下几乎无法到达光电传感器。这可以防止光串扰，并为用户提供最佳的调制指数，即使传感器放置在玻璃或塑料窗口下也是如此。在设计光学反射系统时，这是一个很棒的功能。对于首选透射式测量的应用，ADPD188GG可与外部连接的LED一起使用，并绕过内部LED。

与经验证的解决方案的比较

在开始新的光学设计之前，确定最终产品的目标市场和所需规格非常重要。与用于运动和健康市场的设备相比，具有医疗级性能的光学系统通常具有更高的规格。

ADPD107是一款模拟光学前端，专为分立式光学系统而设计。它被认为是市场上光学前端的黄金标准，由于其良好的性能，它被用于许多医疗产品。DataSenseLabs Ltd.在ADPD107方面拥有丰富的经验。但是，由于在某些用例中完全集成的光模块具有优势，因此它开始使用它们并进行比较分析，将ADPD107的性能与ADPD188GG集成光模块进行比较。在以下部分中，您将阅读有关测试设置、配置和结果的更多信息。

测试设置和数据收集

为了进行光学比较，在2分钟内与ADPD188GG和ADPD107同时记录原始PPG读数。对于ADPD188GG设置，使用了标准评估板，其中ADPD107是可穿戴演示平台（EVAL-HCRWATCH）内部光学系统的一部分。这两个系统均由ADI公司的用户界面应用wavetool软件控制。

在测试中，配置设置进行了优化，以实现最高的信号质量。我们将AFE的配置（包括LED脉冲、时序和跨阻增益）保持在特定范围内，以便在两个系统上实现相同的功耗，以获得公平的比较（见表1）。

	ADPD188GG	ADPD107
功耗（毫瓦）	5.1	5.2
采样频率（赫兹）	100	100
发光二极管电流（毫安）	130.02	64.89
输入偏置电流	15nA	80n安
AFE 宽度 （μs）	3	3
脉冲宽度（微秒）	2	2
脉冲偏移（微秒）	32	25
AFE 偏移 （μs）	23	16
AFE 精细偏移 （ns）	125	250

表1显示了ADPD188GG LED电流，是ADPD107设置中LED电流的两倍。原因是集成解决方案的光电二极管表面小于分立解决方案的表面，因此我们必须对此进行补偿。采用2个LED由3 V电源供电，总功耗增加156 μW，与总功耗相比几乎可以忽略不计。我们 以 100 Hz 的 速率 对 ADC 进行 采样， 这 在 可 穿戴 系统 中很常见。此外，我们以500 Hz的采样率进行测量，这通常用于具有临床性能的系统。

数据记录是在与普通智能手表或健身追踪器相同的情况下进行的，光学传感器连接到手腕顶部。由于惯用手和非惯用手的皮下层之间的微循环和血管收缩特性可能略有不同，因此两种光学系统在双腕上重复记录。从左右手腕收集的数据集进行了仔细分析和比较，以避免特定位置对信号质量的影响。PPG数据集记录在11个不同的用户（受试者）上，当他们坐着并在相同的环境光强度条件下。

数据分析与统计

采用比较方法非常重要，因为信号质量验证不仅意味着硬科学信号处理、数据分析和统计，而且还与市场和最终用户的期望有关。为了在可穿戴市场取得成功，您需要明确的用例和明确的目标，即您希望从光信号中获得什么结果。

光学心率监测器与健身跟踪和健康监测应用密切相关，但在医疗级系统中可以找到光学技术的许多用例。在健身、健康信息学或医疗相关用例中，峰值检测算法的准确性主要取决于PPG信号局部最大值附近的原始数据质量。准确的峰值检测不仅是心率或HRV测量的原理，对于基于PPG的血压估计检测也极为重要。因此，如果最终提取和计算的PPG信号应该支持健康相关应用，设计人员必须选择能够提供最佳物理信号质量的传感器平台。比较测量配置和数据分析是根据János Pálhalmi拥有的生物信号计量专利（申请ID：P1900302）设计和进行的。1

最终结果

为了支持峰值检测算法，可以轻松减去和过滤PPG原始数据中的基线波动。同时，在原始数据级别需要峰周围的高信号质量，以提取上述目标结果。这就是为什么在这项研究中，我们专注于对黄金标准ADPD107和新的集成ADPD188GG光模块测量的PPG信号峰值周围的主要频段进行比较分析。信号的主要成分没有被修改，除了非常缓慢的基线波动（<0.25赫兹）和高频分量（>40赫兹），它们被滤波。

计算小波相干性和相关性比较，以比较两个信号在最主要频率范围内的稳定性。图3显示了两个PPG系统在单个波形及其平均值水平上的结果模式几乎相同。

图3.提取单个PPG波形（局部最大值周围的±125个数据点）并绘制在彼此之上（蓝色虚线）。波形的集成平均值由红线表示。该图显示了ADPD188GG和ADPD107分立解决方案记录的PPG信号之间的基本相似性。

为了继续在深度数据级别进行比较，应用了两种不同的基于相关性的方法。计算每个即将到来的PPG波之间的相关系数和P值（R，P）。通过将每个单独的PPG波形与平均值进行比较，还测试了信号的另一种变异性。

基于全面的相关测试，我们可以得出结论，无论是在单个波形的水平上，还是在单个波形与平均值的水平上，都不可能观察到两个比较的PPG系统之间的任何显着差异。

小波方法对特定频段的差异非常敏感。因此，计算小波相干函数以比较两个PPG信号。根据在所有11名受试者中分析的结果，在频域或两个信号之间的相域中没有观察到显着差异（见图4）。

图4.两个比较PPG信号的集成平均值之间的幅度平方相干性由时域和频域中的颜色强度图显示。箭头的方向与信号之间的相位差成正比。向右的水平箭头表示信号之间没有相位差。1

在开发新产品时，查看可以从给定信号中提取的特定频段也可能会有所帮助，以便能够优化规格。

在该测试中，分析了两个比较PPG系统之间幅度平方相干性的基本统计特性，如图5所示。整个频谱分为六个特定的频率范围，以分析信号之间相似性的可变性。

图5.幅度平方小波相干值的描述性统计特性显示在从0 Hz到20 Hz的四个相关频率范围内。

对于所有11名受试者，在PPG信号峰值周围的所有频段内，相干值均高于0.95，这告诉我们黄金标准与新的集成ADPD188GG之间存在非常高的相似性。

结论

ADPD188GG是一款完全集成的光学模块，用于测量心率、心率变异性和血氧饱和度，并监测连续血压估计。由于该模块在一个微小的封装中包括光学器件和电子器件，因此它可以帮助设计人员和没有光学知识的公司缩短其整体设计周期。该模块针对使用反射式测量方法和 525 nm 波长的应用进行了优化;但是，外部LED也可用于测量不同波长或基于透射原理进行测量。我们已经证明，集成系统并不限制我们满足院外或临床系统中各种用例所需的规格。

审核编辑：郭婷