作者：ADI執行業務經理Andrew Burt

在健康和健身可穿戴設備的功能列表中，心率(HR)和血氧飽和度(SpO2)正迅速從“期待擁有”階段進入“有望實現”階段。不過，這種轉變卻導致讀數質量下降。這是由于一些傳感器制造商急于滿足市場需求，放松了產品質量，引發人們對產品精確度的質疑。雖然對于日常使用的可穿戴設備，讀數準確性可能不太關鍵，但在臨床級可穿戴設備上，測量結果的質量和完整性則必須可靠。因此設計人員面臨著一個關鍵挑戰：如何在進行高質量的HR和SpO2測量時，不會消耗過多的設備電池電量？對此，ADI將在本文介紹為何傳統光學讀數方法會浪費電能，并提供一種采用新型架構、可執行臨床級測量的低功耗傳感器IC。

圖1.使用腕戴式設備測量HR和SpO2

光電容積脈搏波描記法(PPG)

ADI使用一種光電技術來測量HR和SpO2，這種技術被稱為光電容積脈搏波描記法或PPG（圖1）。通過使用發光二極管(LED)照射皮膚，并使用光電二極管(PD)產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2.使用LED和PD進行PPG測量

電流信號由PPG模擬前端(AFE)調節，然后由ADC進行轉換，以便系統微控制器上運行的光學算法進行處理。原則上，單對LED-PD就足以進行PPG測量，這種結構在臨床設備中很常見（圖3）。

圖3.在臨床環境中測量SpO2和HR

盡管如此，這些設備的運行環境與日常生活中的環境完全不同。首先，患者保持不動，由夾在患者指尖的傳感器進行測量。照明條件相對穩定，這會簡化PD的光檢測，這些設備一般都由主電源供電，因而不用擔心功耗問題。

相比之下，可穿戴設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，照明條件會發生很大變化，并且這些設備使用電池供電，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性。根據描述，深色皮膚的灌注指數比淺色皮膚低，這意味著要進行測量就需要更大的照明強度（需要傳感器消耗更多功率）。接下來，看看用于進行PPG測量的不同AFE結構的優點。

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系統總功耗的至少50%，根據佩戴者的皮膚灌注指數，平均功耗可能達到1mW。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

當然還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

其優勢在于，與使用單個PD相比，標準的20mA LED電流可降低到10mA，從而實現相同水平的總PD電流。在具有挑戰性的工作條件下（低皮膚灌注和/或當佩戴者移動時），系統算法確定需要更高的LED電流，此時系統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進行PPG測量

表1匯總列出之前考慮的各種結構的相對功耗，假設典型電源電壓為1.6V。

表1.1通道、2通道和4通道ADC結構的典型功耗比較

這種結構提供更高質量的讀數，因為血管和骨骼在手腕上的分布是不對稱的，而四個PD可以幫助消除運動以及設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?？纱┐髟O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

圖8.MAX86177四通道光學AFE的框圖

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數據采集系統，具有發射和接收通道，非常適合用于臨床級（以及通用）便攜式和可穿戴設備。其發射端集成兩個高電流8位可編程LED驅動器，支持多達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，可以多路復用來自8個PD（配置為四個獨立對）的輸入信號。它實現了118dB的動態范圍，在120Hz下提供高達90dB的環境光消除(ALC)。主電源電壓為1.8V，LED驅動電源電壓為3.1V至5.5V。該設備為I2C和SPI兼容接口提供完全自主支持。MAX86177采用2.83mm × 1.89mm、28引腳(7×4)晶圓級封裝(WLP)，工作溫度范圍為–40oC至+85oC。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為臨床級監護儀設定的3.5%限制范圍內。

結論

臨床級可穿戴設備設計人員面臨的主要挑戰，就是如何在不顯著消耗設備電池壽命的情況下進行光學PPG測量，獲取HR和SpO2數值。在ADI的設計解決方案中可以看出，與使用單個LED和PD的基本結構相比，四通道ADC結構可以節省高達60%的功率。MAX86177的四通道結構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備，進行臨床級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）。