在健康和健身可穿戴設備的可用功能列表中，心率 (HR) 和血氧飽和度 (SpO 2 ) 正在迅速從“理想”階段轉變為“預期”階段。然而，這種轉變的結果是，一些傳感器製造商急於滿足市場對這些功能的需求，對其產品的準確性提出質疑，從而導致讀數質量下降。雖然讀數的準確性在日常可穿戴設備中可能並不重要，但測量的質量和完整性在臨床級可穿戴設備中必須是不容置疑的。設計師面臨的一個關鍵挑戰是如何製作高質量的 HR 和 SpO 2以不會對設備電池造成大量消耗的方式進行測量。在此設計解決方案中，我們展示了為什麼傳統的光學讀數方法會浪費功率，然後再展示一種傳感器 IC，該傳感器 IC 使用新穎的架構來顯著降低功耗，同時進行臨床級測量。
光電容積脈搏波 (PPG)
HR 和 SpO 2是使用稱為光電容積描記術或 PPG 的光學技術測量的（圖 1）。PPG 信號是通過使用發光二極管 (LED) 照亮皮膚並使用產生與數量成正比的電流的光電二極管 (PD) 檢測從表面下方血管反射的光強度的變化來獲得的（圖 2）接收到的光。
圖 1.使用腕戴式設備測量 HR 和 SpO 2 。
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 轉換，以便由系統微控制器上運行的光學算法進行處理。原則上，單個 LED-PD 對足以進行 PPG 測量，這種架構在臨床環境中使用的設備中很常見（圖 3）。
圖 3.在臨床環境中測量 SpO 2和 HR。
然而，這些設備的運行條件與日常生活中遇到的情況截然不同。首先，患者相對不動，並且使用牢固地固定在指尖的傳感器進行測量。照明條件相對恆定，這簡化了 PD 的光檢測，並且功耗不是問題，因為這些設備通常由主電源供電。
相比之下，可穿戴設備通常是戴在手腕上的，這意味著皮膚接觸的程度會有所不同，具體取決於個人喜好（錶帶鬆緊度）和佩戴者的動作。照明條件可能會因位置和一天中的時間而有很大差異，並且由於這些設備由電池供電，因此傳感器的電流消耗盡可能低很重要。不同佩戴者的各種膚色使這變得更具挑戰性。深色皮膚被描述為比淺色皮膚具有更低的灌注指數，這意味著它需要更大的照明（需要傳感器使用更多功率）才能進行測量。接下來，我們考慮可用於進行 PPG 測量的不同 AFE 架構的優點。
具有單 ADC 通道的 PPG AFE
增加 LED 電流或使用兩個 LED 是實現更高程度皮膚照明的一種直觀方式（圖 4），因為它可以照亮更大的皮膚區域。然而，這是一種耗電的方法，因為 LED 電流至少佔 PPG 系統消耗功率的 50%，根據佩戴者的皮膚灌注指數，平均可高達 1 mW。總體而言，這種方法效率低下並且不利於電池壽命。
圖 4. 使用兩個 LED 實現更好的皮膚照明。
具有雙 ADC 通道的 PPG AFE
增加皮膚照明的更好方法是使用帶有兩個 PD 的單個 LED，可用於檢測更多反射光（圖 5）。
圖 5. 使用一個帶有兩個 PD 的 LED 以獲得更好的光檢測。
此處的優勢在於，與使用單個 PD 相比，標準 20 mA LED 電流可以降低到 10 mA 以實現相同水平的總 PD 電流。在系統算法確定需要更高 LED 電流的具有挑戰性的操作條件下（低皮膚灌注和/或當佩戴者移動時），可以實現系統靈敏度的成比例增加。例如，應用與之前的配置相同的 LED 電流可使 PD 電流增加 100%，從而提供更高的整體靈敏度，儘管以增加功耗為代價。
具有四通道 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），因為 LED 可以以更少的功率運行（表 1）。
圖 6. 使用一個 LED 和四個 PD 的 PPG。
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表 1. 1 通道、2 通道和 4 通道 ADC 架構的典型功耗比較 |
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PD ADC 通道數 |
LED 數量 |
LED 電流 (mA) |
LED 功率 (mW) |
AFE 功率 (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 總結了之前考慮的每種架構的相對功耗，假設典型電源電壓為 1.6 V。
這種架構提供了更高質量的讀數，因為血管和骨骼在手腕上不對稱分佈，四個 PD 有助於減輕運動的影響以及佩戴者緊固設備的程度。四個 PD 接收器還增加了檢測從照明血管反射的光的可能性。圖 7 中的圖表顯示了使用四個光電二極管（配置為兩個獨立的對：LEDC1 和 LEDC2）相對於參考測量（極性）測量的 HR。可穿戴設備需要確保在執行此測量時保持良好的皮膚接觸。最初，佩戴者處於休息狀態，然後在 5 分鐘（300 秒）後開始鍛煉，導致心率增加。
圖 7. 使用兩對獨立 PD 的 HR 讀數。
實用的四通道 ADC 解決方案
MAX86177 _（圖 8）是一種超低功率四通道光學數據採集系統，具有發送和接收通道，非常適合用於臨床級（以及通用）便攜式和可穿戴設備。在發射器端，它有兩個大電流 8 位可編程 LED 驅動器，最多支持六個 LED。在接收器端，它有四個低噪聲電荷集成前端，每個前端都包括獨立的 20 位 ADC，可以多路復用來自八個 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，並在 120 Hz 時提供高達 90 dB 的環境光消除 (ALC)。它採用 1.8 V 主電源電壓和 3.1 V 至 5.5 V LED 驅動器電源電壓工作。該器件為 I2C 和 SPI 兼容接口提供完全自主的支持。MAX86177 提供 7 × 4、28 球晶圓級封裝 (WLP)，尺寸為 2.83 mm × 1.89 mm，工作溫度範圍為 –40°C 至 +85°C。這種 AFE 的實驗室測試樣本顯示出 3.12% 的缺氧測量的總體均方根誤差，遠低於 FDA 為臨床級監測器設定的 3.5% 限制。
圖 8. MAX86177 四通道光學 AFE 框圖。
結論
臨床級可穿戴設備的設計人員最頭疼的一個問題是如何在不顯著消耗設備電池壽命的情況下對 HR 和 SpO 2進行光學 PPG 測量。在此設計解決方案中，我們展示了與使用單個 LED 和 PD 的基本架構相比，四通道 ADC 架構可節省高達 60% 的功耗。MAX86177 採用小尺寸封裝的四通道架構，非常適合用於手指、手腕和耳戴式可穿戴設備，以測量臨床級 HR 和 SpO 2。它還可用於測量身體水合作用、肌肉和組織氧飽和度（SmO 2和 StO 2）和最大耗氧量（VO 2 Max）。
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