如何从您的可穿戴设备中获得临床级PPG

心率 （HR） 和血氧饱和度 （SpO2）正在迅速从健康和健身可穿戴设备可用功能列表中的“理想”阶段转变为“预期”阶段。然而，这种转变的结果是，由于一些传感器制造商急于满足市场对这些功能的需求，对其产品的准确性提出可疑的声明，导致读数质量下降。虽然读数的准确性在日常可穿戴设备中可能并不重要，但在临床级可穿戴设备中，测量的质量和完整性必须是毋庸置疑的。设计师面临的一个关键挑战是如何制作高质量的人力资源和SpO2测量方式不会对设备的电池造成严重消耗。在这个设计解决方案中，我们展示了为什么传统的光学读数方法会浪费功率，然后展示一种传感器IC，该IC使用新颖的架构来大幅降低功耗，同时进行临床级测量。

光电容积脉搏波

人力资源和SpO2使用称为光电容积脉搏波或PPG的光学技术进行测量。通过使用发光二极管（LED）照射皮肤并使用光电二极管（PD）检测从表面以下血管反射的光强度的变化（图2）获得PPG信号，该光电二极管（PD）产生与接收光量成比例的电流。

图2.使用 LED 和 PD 进行 PPG 测量。

电流信号由PPG模拟前端（AFE）调理，然后由ADC转换，由系统微控制器上运行的光学算法进行处理。原则上，单个LED-PD对足以进行PPG测量，这种结构在临床环境中使用的设备中很常见。

但是，这些设备的运行条件与日常生活中遇到的条件大不相同。首先，患者相对不动，并使用牢固固定在指尖上的传感器进行测量。照明条件相对恒定，这简化了PD的光检测，并且功耗不是问题，因为这些设备通常是由市电供电的。

相比之下，可穿戴设备通常是腕戴式的，这意味着皮肤接触的程度会有所不同，具体取决于个人喜好（表带松紧度）和佩戴者的运动。照明条件可能会因位置和一天中的时间而有很大差异，并且由于这些设备由电池供电，因此传感器的电流消耗必须尽可能低。不同佩戴者的肤色各不相同，这使得这一点更具挑战性。深色皮肤被描述为灌注指数低于浅色皮肤，这意味着它需要更大的照明（需要传感器使用更多功率）才能进行测量。接下来，我们将考虑可用于进行PPG测量的不同AFE架构的优点。

具有单ADC通道的PPG AFE

增加 LED 电流或使用两个 LED 是实现更高皮肤照明度的直观方法（图 4），因为它可以照亮更大的皮肤区域。然而，这是一种耗电的方法，因为LED电流至少占PPG系统功耗的50%，根据佩戴者的皮肤灌注指数，平均可达1 mW。总体而言，这种方法效率低下，不利于电池寿命。

图4.使用两个 LED 实现更好的皮肤照明。

具有双通道 ADC 通道的 PPG AFE

增加皮肤照度的更好方法是使用带有两个PD的单个LED，可用于检测更多的反射光（图5）。

图5.使用一个 LED 和两个 PD，以获得更好的光检测。

优点是，与使用单个PD相比，标准20 mA LED电流可以降低到10 mA，以实现相同水平的总PD电流。在具有挑战性的工作条件下（皮肤灌注不足和/或佩戴者移动时），系统算法确定需要更高的LED电流，可以实现系统灵敏度的成比例提高。例如，应用与先前布置相同的LED电流可使PD电流增加100%，从而提供更高的整体灵敏度，尽管代价是功耗增加。

具有四通道ADC通道的PPG AFE

使用四个PD（需要四通道ADC）检测反射光可以节省更多功率（图6），因为LED的运行功率要低得多（表1）。

图6.PPG 使用一个 LED 和四个 PD。

PD ADC 通道数	不。发光二极管数量	发光二极管电流（毫安）	发光二极管功率（毫瓦）	AFE 功率（毫瓦）	总功率（毫瓦）
1	1	20	320	30	350
2	1	10	160	40	200
4	1	5	80	60	140

表1总结了之前考虑的每种架构的相对功耗，假设典型电源电压为1.6 V。

这种架构提供更高质量的读数，因为血管和骨骼不对称地分布在手腕中，四个PD有助于减轻运动的影响以及佩戴者固定设备的紧密程度。四个PD接收器还增加了检测从照明血管反射的光的概率。图 7 中的图表显示了使用四个光电二极管（配置为两个独立对：LEDC1 和 LEDC2）相对于参考测量（极性）测量的心率。可穿戴设备需要确保在进行此测量时保持良好的皮肤接触。最初，佩戴者处于休息状态，然后在 5 分钟（300 秒）后开始锻炼，导致他们的心率增加。很明显，LEDC1和LEDC2上的信号与参考测量的偏差不同，使用两对PD捕获和组合所有这些偏差的好处是显而易见的。

图7.使用两对独立PD的HR读数。

实用的四通道ADC解决方案

MAX86177（图8）为超低功耗四通道光数据采集系统，具有发射和接收通道，理想用于临床级（以及通用）便携式和可穿戴设备。在发射器侧，它具有两个大电流 8 位可编程 LED 驱动器，支持多达 6 个 LED。在接收器侧，它具有四个低噪声电荷积分前端，每个前端包括独立的20位ADC，可以多路复用来自八个PD的输入信号（配置为四个独立的对）。它实现了 118 dB 的动态范围，并在 120 Hz 时提供高达 90 dB 的环境光消除 （ALC）。它采用1.8 V主电源供电，LED驱动器电源电压为3.1 V至5.5 V 。该器件为 I2C 和 SPI 兼容接口提供完全自主的支持。MAX86177采用7 × 4、28引脚晶圆级封装（WLP），尺寸为2.83 mm×1.89 mm，工作温度范围为–40°C至+85°C。该AFE的实验室测试样品在缺氧测量时表现出3.12%的总均方根误差，远在FDA为临床级监测仪设定的3.5%限制之内。

图8.MAX86177四通道光学AFE框图

结论

临床级可穿戴设备设计人员最头疼的是如何对HR和SpO进行光学PPG测量2不会显著消耗设备的电池寿命。在此设计解决方案中，我们已经证明，与使用单个LED和PD的基本架构相比，四通道ADC架构可节省高达60%的功耗。MAX86177的四通道架构采用小尺寸封装，理想用于手指、腕部和耳戴式可穿戴设备，以测量临床级心率和SpO2.它还可用于测量身体水合作用、肌肉和组织氧饱和度（SmO2和 StO2）和最大耗氧量（VO2最大）。

审核编辑：郭婷