【導讀】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(jie)段(duan)。但(dan)是(shi)，這(zhe)種(zhong)轉(zhuan)變(bian)導(dao)致(zhi)讀(du)數(shu)質(zhi)量(liang)下(xia)降(jiang)
，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)一(yi)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)製(zhi)造(zao)商(shang)在(zai)急(ji)於(yu)滿(man)足(zu)市(shi)場(chang)對(dui)這(zhe)些(xie)功(gong)能(neng)的(de)需(xu)求(qiu)時(shi)，放(fang)鬆(song)了(le)其(qi)產(chan)品(pin)的(de)讀(du)數(shu)質(zhi)量(liang)，由(you)此(ci)引(yin)發(fa)了(le)人(ren)們(men)對(dui)其(qi)產(chan)品(pin)準(zhun)確(que)性(xing)的(de)質(zhi)疑(yi)。

雖sui然ran在zai日ri常chang使shi用yong的de可ke穿chuan戴dai設she備bei中zhong，讀du數shu準zhun確que性xing可ke能neng不bu太tai關guan鍵jian，但dan在zai臨lin床chuang級ji可ke穿chuan戴dai設she備bei中zhong，測ce量liang結jie果guo的de質zhi量liang和he完wan整zheng性xing必bi須xu無wu可ke置zhi疑yi。設she計ji人ren員yuan麵mian臨lin一yi個ge關guan鍵jian挑tiao戰zhan：如何在進行高質量的HR和SpO2測(ce)量(liang)時(shi)，不(bu)會(hui)消(xiao)耗(hao)過(guo)多(duo)的(de)設(she)備(bei)電(dian)池(chi)電(dian)量(liang)
？在(zai)這(zhe)個(ge)設(she)計(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)，我(wo)們(men)先(xian)展(zhan)示(shi)為(wei)什(shen)麼(me)傳(chuan)統(tong)的(de)光(guang)學(xue)讀(du)數(shu)方(fang)法(fa)會(hui)浪(lang)費(fei)電(dian)能(neng)
，然(ran)後(hou)介(jie)紹(shao)一(yi)種(zhong)采(cai)用(yong)新(xin)型(xing)結(jie)構(gou)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)IC，它能執行臨床級測量，同時大幅降低功耗。

光電容積脈搏波描記法(PPG)

我們使用一種光電技術來測量HR和SpO2，這種技術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，並使用光電二極管(PD)產生與接收到的光量成比例的電流
，檢測從表麵以下血管反射的光強度的變化（圖2）可獲得PPG信號。

圖1. 使用腕戴式設備測量HR和SpO2。

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，然後由ADC進行轉換，以便係統微控製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。

danshi，zhexieshebeideyunxinghuanjingyurichangshenghuozhongdehuanjingwanquanbutong。shouxian，huanzhebaochibudong
，youjiazaihuanzhezhijiandechuanganqijinxingceliang。zhaomingtiaojianxiangduiwending，zhehuijianhuaPD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
，一般取決於個人偏好（腕帶的鬆緊度）和he佩pei戴dai者zhe的de動dong作zuo情qing況kuang。每mei天tian隨sui著zhe位wei置zhi和he時shi間jian變bian化hua

，照zhao明ming條tiao件jian會hui發fa生sheng很hen大da變bian化hua，並bing且qie這zhe些xie設she備bei使shi用yong電dian池chi供gong電dian，因yin此ci必bi須xu使shi傳chuan感gan器qi的de電dian流liu消xiao耗hao盡jin可ke能neng低di。此ci外wai
，不bu同tong的de佩pei戴dai者zhe具ju有you不bu同tong的de膚fu色se，這zhe使shi問wen題ti變bian得de更geng具ju挑tiao戰zhan性xing。根gen據ju描miao述shu
，深shen色se皮pi膚fu的de灌guan注zhu指zhi數shu比bi淺qian色se皮pi膚fu低di，這zhe意yi味wei著zhe要yao進jin行xing測ce量liang，需xu要yao更geng大da的de照zhao明ming強qiang度du（需要傳感器消耗更多功率）。接下來

，我們看看用於進行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麵積。但是，這種方法非常耗電，因為LED電流占到PPG係統總功耗的至少50%

，根據佩戴者的皮膚灌注指數，平均功耗可能達到1 mW。總體而言，這種方法效率低下
，且不利於電池壽命。

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

我們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，可用於檢測更多的反射光（圖5）。

圖5. 使用包含兩個PD的LED來改善光檢測。

其優勢在於，與使用單個PD相比，標準的20 mA LED電流可降低到10 mA，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）
，係統算法確定需要更高的LED電流，此時係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. 1通道、2通道和4通道ADC結構的典型功耗比較

表1彙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1.6 V。

這種結構提供更高質量的讀數，這是因為血管和骨骼在手腕上的分布是不對稱的，但四個PD可以幫助消除運動
，以及設備佩戴鬆緊度帶來的影響。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。可穿戴設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分鍾（300秒）之後開始鍛煉，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來捕捉信號並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。

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係統，具有發射和接收通道，非常適合用於臨床級（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
，可以多路複用來自8個PD（配置為四個獨立對）的輸入信號。它實現了118 dB的動態範圍

，在120 Hz下提供高達90 dB的環境光消除(ALC)。主電源電壓為1.8 V，LED驅動電源電壓為3.1 V至5.5 V。該設備為I2C和SPI兼容接口提供完全自主支持。MAX86177采用2.83 mm × 1.89 mm、28引腳(7 × 4)晶圓級封裝(WLP)

，工作溫度範圍為–40°C至+85°C。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%限製範圍內。

圖8. MAX86177四通道光學AFE的框圖。

結論

臨床級可穿戴設備設計人員麵臨的主要挑戰，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。在這個設計解決方案中，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

，非常適合用於手指、手腕和耳戴式可穿戴設備，進行臨床級HR和SpO2測量。它也可用於測量身體水分含量、肌肉和組織的氧飽和度（SmO2和StO2），以及最大耗氧量（VO2最大值）。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

USB供電的5.8 GHz RF LNA接收器，帶輸出功率保護功能

如何有效地比較CMOS開關和固態繼電器的性能

功率半導體冷知識之二：IGBT短路時的損耗

有源前端整流器

PIM模塊中整流橋的損耗計算