需要透過可穿戴裝置提供臨床級PPG?對問題置之不理並不可取

作者:ADI 執行業務經理Andrew Burt


在健康和健身可穿戴裝置的功能清單中,心率(HR)和血氧飽和度(SpO2)正迅速從「期待擁有」階段進入「可望實現」階段。但是,這種轉變導致讀數品質下降,這是因為一些感測器製造商在急於滿足市場對這些功能的需求時,放寬其產品的讀數品質,由此引發人們對其產品準確性的質疑。雖然在日常使用的可穿戴裝置中,讀數準確性可能不太關鍵,但在臨床級可穿戴裝置中,測量結果的品質和完整性必須無可置疑。設計人員面臨一個關鍵挑戰:如何在進行高品質的HR和SpO2測量時,不會消耗過多的裝置電池電量?在這個設計解決方案中,先展示為什麼傳統的光學讀數方法會浪費電能,然後介紹一種採用新型結構的感測器IC,其能執行臨床級測量,同時大幅降低功耗。

光體積變化描記圖法(PPG)

使用光電技術來測量HR和SpO2的技術稱為光體積變化描記圖法或PPG(圖1)。透過以發光二極體(LED)照射皮膚,並使用光電二極體(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),便可獲得PPG訊號。

Figure 1. Measuring HR and SpO2 using a wrist-worn device.

圖1. 使用腕戴式裝置測量HR和SpO2

Figure 2. PPG measurement using an LED and a PD.

圖2. 使用LED和PD進行PPG測量。

電流訊號由PPG類比前端(AFE)調節,然後由ADC進行轉換,以便系統微控制器上運行的光學演算法進行處理。原則上,單對LED-PD就足以進行PPG測量,此種結構在臨床裝置中很常見(圖3)。

Figure 3. Measuring SpO2 and HR in a clinical setting.

圖3. 在臨床環境中測量SpO2 和HR。

但是,這些裝置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,由夾在患者指尖的感測器進行測量。照明條件相對穩定,這會簡化PD的光檢測,這些裝置一般都由主電源供電,因而不用擔心功耗問題。

相較之下,可穿戴裝置一般是戴在手腕上,表示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,並且這些裝置使用電池供電,因此必須使感測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,表示要進行測量,需要更大的照明強度(需要感測器消耗更多功率)。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,是一種非常直覺的增加皮膚照射強度的方式(圖4),其會增加皮膚的照射面積。但是,這種方法非常耗電,因為LED電流佔PPG系統總功耗至少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,此方法效率低下,且不利於電池壽命。

Figure 4. Using two LEDs to achieve better skin illumination.

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

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)。

Figure 5. Using one LED with two PDs for better light detection.

圖5. 使用包含兩個PD的LED來改善光檢測。

相較於使用單個PD,其優勢在於標準的20 mA LED電流可降至10 mA,進而實現相同水準的總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),系統演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電流將會是之前的兩倍,而這將達到更高的總體靈敏度,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)。

Figure 6. PPG using one LED and four PDs.

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
ADC通道數 LED數 LED 電流 (mA) LED 電源 (mW) AFE 電源 (mW) 總功率 (mW)
1 1 20 320 30 350
2 1 10 160 40 200
4 1 5 80 60 140

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1.6 V。

此結構提供更高品質的讀數,這是因為血管和骨骼在手腕上的分佈不對稱,但四個PD可協助消除運動,以及裝置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機率。圖7中的圖表顯示使用4個光電二極體(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。可穿戴裝置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)之後開始鍛煉,導致其HR開始上升。很明顯,LEDC1和LEDC2上的訊號與參考測量值的偏差程度不同,所以,使用兩對PD來擷取訊號並綜合考慮所有這些偏差是有益的。

Figure 7. HR readings using two pairs of independent PDs.

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)為一款超低功耗的四通道光學資料擷取系統,具有發射和接收通道,非常適合用於臨床級(以及通用)可攜式和可穿戴裝置。其發射端整合兩個高電流8位元可編程LED驅動器,支援多達6個LED。接收端整合4個低雜訊電荷積分前端,每個前端包含一個獨立的20位元ADC,可以多工來自8個PD(配置為四對獨立)的輸入訊號。其實現了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。該裝置為I2C和SPI相容介面提供完全自主支援。MAX86177採用2.83 mm × 1.89 mm、28接腳(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%限制範圍內。

Figure 8. A MAX86177 quad-channel optical AFE block diagram.

圖8. MAX86177四通道光學AFE的框圖。

結論

臨床級可穿戴裝置設計人員面臨的主要挑戰,就是如何在不明顯消耗裝置電池壽命的情況下進行光學PPG測量,擷取HR和SpO2數值。在這個設計解決方案中,可以看出相較於使用單個LED和PD的基本結構,四通道ADC結構可節省高達60%的功率。MAX86177的四通道結構整合在一個小型封裝中,非常適合用於手指、手腕和耳戴式可穿戴裝置,進行臨床級HR和SpO2測量。此外其也適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)。