各方性能兼備的光學整合

作者: DataSenseLabs Ltd. 執行長János Pálhalmi 博士
ADI 業務開發經理Jan-Hein Broeders

光體積變化描記圖法(PPG)是量測血液中氧飽和度(SPO2)的一種常用技術。發光元件向身體發射光線,之後再用光偵測元件量測身體反射或吸收多少光。根據發射與接受這兩種光其波長的比值,即可推算出氧合血紅素(oxygenated hemoglobin)。目前,業界還會利用其他類似技術搭配光學技術來量測心率或心率變異度(HRV)。

上述這些系統都需要一或多個必須妥善控制的光電發射器(photoemitter)以及一個光偵測器(photodetector),以針對接收到的光量測其中的光電流(photocurrent)。接收到訊號最後還必須經過放大、調節、以及數位化等步驟。這樣的光學系統聽起來簡單明瞭,但倘若缺乏某些光學知識,很容易遇到的情境是空有光學訊號,但卻不知道如何從這些訊號找到使用者想知道的資訊。

為協助企業達成其光學目標,業界已經推出一款完全整合的全新光學模組,這款模組經過測試,並和相當成熟的分立式光學系統進行比較來證實其功能極為卓越。有興趣者可參閱相關結果以及採用的方法。

理論與介紹PPG 量測法

隨著各界越來越重視家庭衛生/保健/預防,因此目前出現了一個新興市場,廠商針對追蹤多種生命徵象參數的應用開發各種智慧型裝置。最初推出的產品是胸帶(chest strap) – 利用生物電位技術監視心率 – 到了最後5至8年,則大幅轉向採用光體積變化描記圖法的光學系統。這項技術的一大優勢是只須在身體的一個位置即可進行量測,而生物電位系統則至少需要兩個電極才能量測心率。除了凸顯出操作較不簡易的差異,光學系統的易用性也使它對於光學心率監視(HRM)以及心率變異度(HRV)等應用的吸引力大幅提升。

設計這樣的系統時還須考量其他問題。最終應用是什麼? 要量測身體的哪個位置? 有多少時間可以用來開發系統等?而研發業者可根據這些問題的答案選擇適合的設計途徑。

量測PPG方面目前發展出兩種原理。其中一種是發出光線穿透身體部位,像是手指或耳垂,然後在背面處量測接收到或被吸收的光; 另一種則是發送與接收端都位於身體的同一側,接收端量測的是反射回來的光線。量測穿透身體部位的光線,其強度大約比反射式系統接收到的光線高出40 dB 到60 dB;但反射式系統的優點,是其可以自由選擇感測器置放的位置。

圖1. 光學HRM/HRV系統的典型模塊圖

由於大多數使用者對於感測器更看重的是配戴的舒適度而不是效能,因此反射量測法變得更受歡迎。因此本文僅探討反射式量測法。

在心跳過程中,流經心血管系統的血液流量與體積會產生變化,導致接收到反射光線出現散射。用來量測光學HRM/HRV的光源波長不光和量測身體部位有關,還和相對灌注位準(relative perfusion level)以及皮下組織的溫度及色調有關。一般來說這類裝置會戴在手腕,但由於手腕上方沒有動脈,因此必須透過表皮下的靜脈與微血管來測量心搏。在這種情境中,使用綠色光源能得到最好的結果。另外,在包括上臂、太陽穴、或耳道等有足夠血液流動的位置,紅光或紅外線比較能穿透到皮下組織深處,接收到的訊號強度也會比較高。

ADPD188 翻轉局面

在考量感測器位置以及LED波長等因素時,必須挑選最適合的光學解決方案。在類比前端元件方面目前有許多選擇,包括分立式以及完全整合式,而另外市面上光偵測器與LED元件也有眾多產品可供挑選。關鍵在於發送器與接收器必須擺放在適當位置,藉以讓發送訊號所消耗的每一毫安培得到最大強度的接收訊號。兩者的比例稱為電流傳輸比,單位為nA/Ma。光學系統另一個重要參數為調變指數,它代表的是交流訊號和光學直流偏移之間的關係。增加光偵測器與LED之間的距離就能改善調變指數。光偵測器與LED之間的距離存在一個甜蜜點,而這個甜蜜點的位置會和LED波長有關。在設計不良的機械系統中,LED光會直接照到光偵測器而不會穿透皮下組織,結果會導致直流偏移,進而對調變指數產生負面影響。顯現在外的表徵就是光學串擾(optical crosstalk),亦稱為內部光害(ILP)

為儘可能精簡研發工作讓產品更快上市,尤其是不熟悉光學領域的廠商,ADI針對反射式量測開發一款完全整合式光學子系統,這款名為ADPD188GG的方案包含了執行光學量測所需的所有元件。此模組如圖2所示。

圖2. ADPD188GG 光學子系統.

ADPD188GG是一款全新設計的光學模組,其尺寸規格不同於先前世代的模組。底部接近正方型,3.98 mm 乘以5.0 mm,整體厚度為0.9mm。改進幅度最大元件為光偵測器,其位置和先前世代相比翻轉了90度。若以和LED的相對位置來看,這款感測器的位置提供更好的靈敏度。光偵測器本身分成0.4 mm2 和0.8 mm2兩部分。這樣的設計提供了充裕的彈性,可選擇增加整體光電二極體的表面積以提高靈敏度,或採用較小尺寸的偵測器防止感測器飽和。光電二極體則置於類比前端元件之上。ADI目前正採用獨立型ADPD1080類比前端元件。這款元件擁有4個輸入通道,每個通道銜接一個擁有可選擇增益(25k、50k、100k、200k)的跨阻抗放大器、一個環境光消除模塊、以及一個14位元SAR ADC轉換器。環境光消除流程是在類比域進行,而且成效遠勝於市面上其他解決方案。最後,系統中兩個由整合電流源控制的綠光LED能將電流驅動到370毫安培,脈衝寬度僅1微秒,而使整體平均電流得以降低。精心設計的封裝讓發出的LED光有極高的機率先穿透皮下組織,然後才被光感測器接收,如此一來不僅防止光學串擾,即使感測器位於玻璃或塑膠窗底下仍能為使用者提供最佳的調變指數。這對於設計光學反射式系統來說的確是一項極佳的特色。對於偏好透射式量測法的應用,ADPD188GG還可搭配外部連結LED,並可繞過內建LED光源進行量測。

與成熟解決方案之比較

在開發新的光學方案之前,必須先決定目標市場,以及最終產品要求的各項規格。一般而言,具備醫療級效能的光學系統其規格要求會高於鎖定體育與保健市場的裝置。

ADPD107 是一款針對分立式光學系統設計的類比式光學前端元件。它被各界視為市面上光學前端元件的黃金標準,加上由於具備優異效能,因此也被用在許多醫療產品。例如DataSenseLabs 公司在運用ADPD107累積許多經驗。然而由於完全整合式光學模組在某些使用情境中具有優勢,於是各界開始對兩者進行比較分析,對比 ADPD107與ADPD188GG整合式光學模組的效能。下面章節將討論測試設定、組態、以及結果。

測試設定與資料蒐集

在光學比較方面,同時透過ADPD188GG 與ADPD107持續記錄2分鐘的未處理PPG讀數。在ADPD188GG的設定中,採用的是標準評估板,而ADPD107則是裝在穿戴式展示平台(EVAL-HCRWATCH)的光學系統中。兩個系統都由Analog Devices的使用者介面軟體wavetool加以控制。

為方便測試,特別對組態設定進行最佳化以便達到最高的訊號品質。我們保留類比前端元件的組態,包括LED脈衝、時序、以及特定範圍內的跨阻抗增益,藉以讓兩個系統達到相同的功耗,進而做出公平的比較(參見表1)

表1. ADPD188GG 與黃金標準ADPD107光學模組比較
ADPD188GG ADPD107
功耗 (毫瓦) 5.1 5.2
取樣頻率 (Hz) 100 100
LED 電流 (毫安培) 130.02 64.89
Input Bias Current 15nA 80nA
AFE 寬度 (微秒) 3 3
脈衝寬度 (微秒) 2 2
脈衝偏移 (微秒) 32 25
AFE 偏移 (微秒) 23 16
AFE 微調偏移 (奈秒) 125 250

表1 顯示ADPD188GG LED的電流,強度是在ADPD107設定中LED電流的兩倍。原因是整合式解決方案的光電二極體表面小於分立式解決方案的表面,因此我們必須加以補償。運用兩個LED,以3伏電壓驅動,使整體功率消耗增加156微瓦,但和總功率消耗相比小到幾乎可忽略不計。我們以100 Hz的頻率對ADC取樣,這樣的頻率在穿戴式系統中相當常見。此外,我們以500 Hz的取樣率進行量測,許多具備臨床級效能的系統經常會採用這樣的取樣率。

記錄下的資料經歷的過程和一般智慧手錶或健身追蹤裝置相同,用裝在腕帶上方的光學感測器執行量測。由於慣用手和非慣用手表皮下層之間的微血管循環(microcirculation)以及血管收縮(vasoconstriction)屬性存在些微的差異,因此會用左右手兩隻手腕上的光學系統重複量測出讀數。左右兩手手腕收集到的資料集經過分析與仔細比較,避免位置產生的干擾影響到訊號品質。PPG資料集是對11個不同使用者(物體)進行記錄,他們分別坐在與處於相同的環境光強度條件下。

資料分析與統計

採取比較的策略相當重要,因為訊號品質的驗證不僅意謂硬科學的訊號處理、資料分析、以及統計,更牽涉到市場與終端使用者所期待的功能。想要在穿戴裝置市場佔一席之地,需要的包括定義明確的使用情境,以及針對光學訊號獲得結果界定明確的目標。

光學心率監視器和健身追蹤與健康監視應用有密切關連,另外在許多使用情境中,光學技術還會用在醫療級系統。在健身、健康記錄、以及醫療相關使用情境中,峰值偵測演算法的精準度主要取決於PPG訊號局部最大值附近原始資料品質。精準的峰值偵測不僅是心率或心率變異度量測的重點,對於PPG型式血壓推估偵測而言也是極為重要。因此,倘若最終擷取與計算出的PPG訊號須用來支援健康相關應用,研發業者就應選用具備最佳實體訊號品質的感測器平台。比較式量測組態以及資料分析,設計用來執行János Pálhalmi 所有的Biosignal Metrology專利(計請ID編號: P1900302)程序。

最終結果

為支援峰值偵測演算法,我們可先扣除與過濾掉PPG原始資料內的基準線波動(baseline fluctuation)。在此同時,原始資料中的波峰附近高品質訊號就須保留,以便擷取出上述的目標結果。因此在這項研究中,我們聚焦於PPG訊號峰值附近的主要頻帶,此訊號是由黃金標準ADPD107以及新款整合式ADPD188GG光學模組加以量測。訊號的主要元素並沒有被修改,僅過濾掉很慢的基準線波動(<0.25 Hz)以及高頻率元素 (>40 Hz)。

之所以要計算出小波同調(Wavelet coherence)與相關的比較,目的是在比較最主要頻率範圍內兩個訊號的穩定度。圖3顯示兩個PPG系統在個別波形上的結果存在幾乎相同的模式,以及各自的優點。

 

 

圖3. 個別PPG波形 (局部最大值附近的±125 個資料點)擷取出並重疊標記在座標點上 (藍色虛線)。紅線代表的是波形的彙整平均值。圖中的數據顯示ADPD188GG 與ADPD107 分立式解決方案記錄下的PPG訊號有著根本的相似性。

為繼續在更深資料層面進行比較,這裡用到兩種不同的相關性(correlation)方法。對每個流入的PPG波計算相關係數與P 值 (R, P),然後套用另一種方法。另外還比較每個PPG波形與平均值,藉以測試訊號不同種類的變異度(variability)

根據詳盡的相關測試,我們能斷定兩個接受比較的PPG系統看不出有任何顯著差異,包括個別波形或是個別波形與平均值之間的比較。

小波方法對於特定頻帶的差異相當靈敏。為此我們計算小波同調函式來比較兩個PPG訊號。根據對所有11個物體的分析結果,在兩個訊號的頻域中以及相域(phase domain)都沒有觀察到顯著差異(如圖4所示)。

圖4. 兩個接受比較PPG訊號匯整平均值之間的振幅方波同調性(magnitude squared coherence)如圖中時域與頻域的標色強度圖所示。箭頭方向和兩個訊號的相位差成比例。水平朝右代表訊號之間沒有相位差。1

在開發新產品時,專注特定頻帶有時也很有用,我們可以從特定訊號擷取出該頻帶,進而優化相關規格。

在這項測試中,兩個接受比較PPG系統的振幅方波同調性會在所有相關頻率範圍內進行分析,如圖5所示。整個頻譜分成6個特定頻率範圍,藉以分析訊號之間相似點的變異性。

 

 

圖 5. 振幅方波小波同調值的統計屬性,顯示在從0Hz到20Hz 的4個相關頻率範圍1

在PPG訊號峰值附近所有頻帶內,所有11個物體同調值高於0.95,這告訴我們黃金標準元件以及新款整合式ADPD188GG之間存在極高的相似度。

總結

ADPD188GG是一款完全整合的光學模組,鎖定的應用除了量測心率/心率變異度/血氧濃度,還有連續血壓估測。由於整個模組將光學與電子元件裝入微型封裝中,因此能協助本身沒有光學知識的設計者與廠商能縮短整體設計週期。這款模組針對特定應用進行最佳化,這些應用採用525奈米波長的光源執行反射式量測法; 有些應用也會採用不同波長的LED光源或是穿透式量測方法。在此我們已經證明,整合式系統不僅不會侷限我們的能力,而且還能針對醫院以外或臨床系統的各種使用情境開發適合需求的規格。

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References

1 János Pálhalmi. Biosignal Metrology patent, P1900302.