需要通过可穿戴设备提供临床级PPG?对问题置之不理并非可取之道

需要通过可穿戴设备提供临床级PPG?对问题置之不理并非可取之道

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Andrew Burt

Andrew Burt

在健康和健身可穿戴设备的功能列表中,心率(HR)和血氧饱和度(SpO2)正迅速从“期待拥有”阶段进入“有望实现”阶段。但是,这种转变导致读数质量下降,这是因为一些传感器制造商在急于满足市场对这些功能的需求时,放松了其产品的读数质量,由此引发了人们对其产品准确性的质疑。虽然在日常使用的可穿戴设备中,读数准确性可能不太关键,但在临床级可穿戴设备中,测量结果的质量和完整性必须无可置疑。设计人员面临一个关键挑战:如何在进行高质量的HR和SpO2测量时,不会消耗过多的设备电池电量?在这个设计解决方案中,我们先展示为什么传统的光学读数方法会浪费电能,然后介绍一种采用新型结构的传感器IC,它能执行临床级测量,同时大幅降低功耗。

光电容积脉搏波描记法(PPG)

我们使用一种光电技术来测量HR和SpO2,这种技术称为光电容积脉搏波描记法或PPG(图1)。通过使用发光二极管(LED)照射皮肤,并使用光电二极管(PD)产生与接收到的光量成比例的电流,检测从表面以下血管反射的光强度的变化(图2)可获得PPG信号。

图1. 使用腕戴式设备测量HR和SpO2

图2. 使用LED和PD进行PPG测量。

电流信号由PPG模拟前端(AFE)调节,然后由ADC进行转换,以便系统微控制器上运行的光学算法进行处理。原则上,单对LED-PD就足以进行PPG测量,这种结构在临床设备中很常见(图3)。

图3. 在临床环境中测量SpO2 和HR。

但是,这些设备的运行环境与日常生活中的环境完全不同。首先,患者保持不动,由夹在患者指尖的传感器进行测量。照明条件相对稳定,这会简化PD的光检测,这些设备一般都由主电源供电,因而不用担心功耗问题。

相比之下,可穿戴设备一般是戴在手腕上,这意味着,接触皮肤的程度不同,一般取决于个人偏好(腕带的松紧度)和佩戴者的动作情况。每天随着位置和时间变化,照明条件会发生很大变化,并且这些设备使用电池供电,因此必须使传感器的电流消耗尽可能低。此外,不同的佩戴者具有不同的肤色,这使问题变得更具挑战性。根据描述,深色皮肤的灌注指数比浅色皮肤低,这意味着要进行测量,需要更大的照明强度(需要传感器消耗更多功率)。接下来,我们看看用于进行PPG测量的不同AFE结构的优点。

具有单个ADC通道的PPG AFE

增加LED电流或使用两个LED,是一种非常直观的增加皮肤照射强度的方式(图4),它会增加皮肤的照射面积。但是,这种方法非常耗电,因为LED电流占到PPG系统总功耗的至少50%,根据佩戴者的皮肤灌注指数,平均功耗可能达到1 mW。总体而言,这种方法效率低下,且不利于电池寿命。

图4. 使用两个LED来提高皮肤照射强度。

具有两个ADC通道的PPG AFE

我们可以使用一种更好的方法来增加皮肤照射量,即使用包含两个PD的LED,可用于检测更多的反射光(图5)。

图5. 使用包含两个PD的LED来改善光检测。

其优势在于,与使用单个PD相比,标准的20 mA LED电流可降低到10 mA,从而实现相同水平的总PD电流。在具有挑战性的工作条件下(低皮肤灌注和/或当佩戴者移动时),系统算法确定需要更高的LED电流,此时系统灵敏度也会成比例增加。例如,使用与之前相同的LED电流,提供的PD电流会是之前的两倍,这会实现更高的总体灵敏度,虽然功耗成本会增加。

具有四个ADC通道的PPG AFE

使用四个PD(需要一个四通道ADC)来检测反射光可以节省更多功率(图6),这是因为LED可以更低功率运行(表1)。

图6. 使用一个LED和四个PD进行PPG测量。

表1. 1通道、2通道和4通道ADC结构的典型功耗比较
ADC通道数 LED数 LED 电流 (mA) LED 电源 (mW) AFE 电源 (mW) 总功率 (mW)
1 1 20 320 30 350
2 1 10 160 40 200
4 1 5 80 60 140

表1汇总列出之前考虑的各种结构的相对功耗,假设典型电源电压为1.6 V。

这种结构提供更高质量的读数,这是因为血管和骨骼在手腕上的分布是不对称的,但四个PD可以帮助消除运动,以及设备佩戴松紧度带来的影响。四个PD接收器也增大了检测所照射血管反射光的几率。图7中的图表显示使用4个光电二极管(配置为独立的两对:LEDC1和LEDC2)测量的HR与参考测量值(polar)之间的对比。可穿戴设备需要确保在测量过程中保持良好的皮肤接触。最初,佩戴者先休息,5分钟(300秒)之后开始锻炼,导致其HR开始上升。很明显,LEDC1和LEDC2上的信号与参考测量值的偏差程度不同,所以,使用两对PD来捕捉信号并综合考虑所有这些偏差是有益的。

图7. 使用两对独立PD时获得的HR读数。

实用的四通道ADC解决方案

MAX86177 (图8)是一款超低功耗的四通道光学数据采集系统,具有发射和接收通道,非常适合用于临床级(以及通用)便携式和可穿戴设备。其发射端集成两个高电流8位可编程LED驱动器,支持多达6个LED。接收端集成4个低噪声电荷积分前端,每个前端包含一个独立的20位ADC,可以多路复用来自8个PD(配置为四个独立对)的输入信号。它实现了118 dB的动态范围,在120 Hz下提供高达90 dB的环境光消除(ALC)。主电源电压为1.8 V,LED驱动电源电压为3.1 V至5.5 V。该设备为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引脚(7 × 4)晶圆级封装(WLP),工作温度范围为–40°C至+85°C。该AFE的实验室测试样本显示缺氧测量的总均方根误差为3.12%,在FDA为临床级监护仪设定的3.5%限制范围内。

图8. MAX86177四通道光学AFE的框图。

结论

临床级可穿戴设备设计人员面临的主要挑战,就是如何在不显著消耗设备电池寿命的情况下进行光学PPG测量,获取HR和SpO2数值。在这个设计解决方案中,可以看出,与使用单个LED和PD的基本结构相比,四通道ADC结构可以节省高达60%的功率。MAX86177的四通道结构集成在一个小型封装中,非常适合用于手指、手腕和耳戴式可穿戴设备,进行临床级HR和SpO2测量。它也可用于测量身体水分含量、肌肉和组织的氧饱和度(SmO2和StO2),以及最大耗氧量(VO2最大值)。