光学心率监测(HRM)系统设计注意事项

设计光学心率监测 (HRM) 系统，也称为光电容积描记术 (PPG)，是一项复杂且多学科的工作。设计因素包括人体工程学、信号处理和滤波、光学和机械设计、低噪声信号接收电路和低噪声电流脉冲创建。

可穿戴设备制造商越来越多地将 HRM 功能添加到他们的健康和健身产品中，这有助于降低 HRM 应用中使用的传感器的成本。许多 HRM 传感器现在将光电探测器和 LED 等分立元件组合成高度集成的模块。这些模块实现了更简单的实施，从而降低了将 HRM 添加到可穿戴产品的成本和复杂性。

可穿戴形式因素也在稳步变化。虽然胸带多年来一直有效地服务于健康和健身市场，但 HRM 现在正在迁移到基于手腕的可穿戴设备。光学传感技术和高性能、低功耗处理器的进步使基于手腕的外形尺寸适用于许多设计。HRM 算法也达到了手腕形状因素可以接受的复杂程度。

其他新的可穿戴传感形式因素和位置正在出现——例如头带、运动和健身服装以及耳塞。然而，大多数可穿戴生物识别传感将在手腕上完成。

HRM 设计基础

没有两个 HRM 应用程序是相同的。系统开发人员必须考虑许多设计权衡：最终用户的舒适度、传感精度、系统成本、功耗、阳光抑制、如何处理多种皮肤类型、运动抑制、开发时间和物理尺寸。这些设计考虑因素会影响系统集成选择：是使用高度集成的模块还是包含更多分立组件的架构。

图 1：光学心率监测的操作原理。

图 1 显示了测量心率信号的基本原理，这取决于从组织中光学提取的心率压力波。它显示了光线进入皮肤的传播路径。由心率压力波引起的毛细血管的扩张和收缩会调节由绿色 LED 注入组织的光信号。

接收到的信号会因穿过皮肤而大大衰减，并被光电二极管拾取并发送到电子子系统进行处理。检测、分析和显示由脉冲引起的幅度调制。

HRM 系统设计的基本方法是使用定制编程的现成 MCU，它控制外部 LED 驱动器的脉冲并同时读取分立光电二极管的电流输出。请注意，光电二极管的电流输出必须转换为电压以驱动模数 (A/D) 模块。图 2中的示意图 显示了这种系统的概要。

图 2：捕获光学心率所需的基本电子设备。

在这里，值得注意的是，I-to-V 转换器在 0 光电二极管电流下产生等于 V REF 的电压，并且电压随着电流的增加而降低。

HRM 构建模块

心率系统中通常使用的电流脉冲介于 2 mA 和 300 mA 之间，具体取决于对象皮肤的颜色和所需信号需要与之竞争的阳光强度。与所需的绿色 LED 光不同，阳光中的红外 (IR) 辐射通过皮肤组织几乎没有衰减，并且可以淹没所需的信号，除非绿光非常强或除非添加了昂贵的 IR 阻挡滤光片。

一般来说，进入皮肤的绿色 LED 光的强度在阳光强度的 0.1 到 3 倍之间。由于组织的严重衰减，到达光电二极管的信号非常微弱，并且产生的电流刚好足以实现合理的信噪比 (SNR) — 70 到 100 dB — 由于散粒噪声，即使在完美、无噪声的运算放大器和 A/D 转换器的存在。

散粒噪声是由于在 25 Hz 下发生的每个读数接收到的电子数量有限。设计中使用的光电二极管尺寸介于 0.1 mm 2 和 7 mm 2之间。然而，在 1 毫米以上，由于阳光的影响，收益递减。

如图 2所示，在光学心率系统设计中实现困难且成本高昂的功能块是驱动 LED 的快速、高电流 V-to-I 转换器，这是一种用于光电二极管，以及 MCU 中的可靠算法，可在主机控制下对脉冲进行排序。低噪声 LED 驱动器 — 具有 300 mA 和 75–100 dB SNR — 可以设置为低至 2 mA 的极低电流，同时仍能产生低至 10 µs 的非常窄的光脉冲，这是使用离散运算实现的昂贵模块安培。

如图 2所示，低至 10 µs 的窄光脉冲使系统能够承受运动和阳光。通常，对每个 25-Hz 样本进行两次光测量。一项测量是在 LED 关闭的情况下进行的，一项是在 LED 开启的情况下进行的。计算出的差异消除了环境光的影响，并提供了对闪烁的背景光不敏感的所需原始光信号测量值。

光脉冲的短持续时间既允许也需要相对强的光脉冲。必须保持比可能存在的阳光信号更亮，并且不允许 PPG 信号载体被阳光信号相形见绌。

如果阳光信号大于 PPG 载波，那么尽管可以通过减法将其去除，但信号可能非常大，以至于外部调制(例如摆动手臂进出阴影)会产生难以去除的伪影。因此，使用低电流 LED 驱动器和大型光电二极管的系统在强光情况下可能会受到运动伪影的严重影响。

分立式与集成式设计

许多所需的 HRM 传感功能都可以预先设计并集成到单个设备中。将大部分功能封装到一块硅片中，可以形成一个相对较小的 3 x 3 毫米封装，甚至可以集成光电二极管本身。

图 3 显示了带有光学传感器的示意图示例。这种 HRM 设计相对容易实现。您只需要关注设计的光学部分，其中包括电路板上部件之间的光学阻挡以及系统与皮肤的耦合。

图 3：集成心率传感器仅需要外部 LED。

虽然图 3中所示的方法 产生了高性能 HRM 解决方案，但它并不像某些设计人员所希望的那样小或高能效。为了实现更小的解决方案，LED 管芯和控制硅片必须集成到一个封装中，该封装包含所有基本功能，包括光阻挡和提高 LED 输出的透镜。图 4 说明了这种更加集成的方法，基于 Silicon Labs Si117x 光学传感器。

图 4：高度集成的 HRM 传感器模块，包含所有基本组件。

此 HRM 设计不需要外部 LED。LED 和光电二极管都在模块内部，可以安装在智能手表等可穿戴产品背面的光学端口正下方。与分立设计相比，这种方法可以缩短 LED 和光电二极管之间的距离。由于穿过皮肤的光损耗较低，因此缩短的距离允许在极低的功率下运行。

集成 LED 还解决了 LED 和光电二极管之间的漏光问题，因此设计人员不必在 PCB 上添加光阻。这种方法的替代方法是使用塑料或泡沫插入物和 PCB 上的特殊铜层来处理阻塞。

开发人员不一定需要创建 HRM 设计的另一部分：HRM 算法。由于通常在运动和运动期间发生的信号损坏，驻留在主机处理器上的这个软件块非常复杂。最终用户的运动通常会产生自己的信号，这些信号会欺骗实际的心率信号，有时会被错误地识别为心率跳动。

如果可穿戴开发人员或制造商没有资源来开发算法，第三方供应商会在许可的基础上提供此软件。由设计人员决定适合 HRM 应用程序的集成程度。开发人员可以通过使用许可算法选择高度集成的基于模块的方法来简化设计过程并加快上市时间。

拥有深入光学传感专业知识、时间和资源的开发人员可能会选择使用单独的组件——传感器、光电二极管、镜头等——并进行自己的系统集成，甚至创建自己的 HRM 算法。

审核编辑：汤梓红