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          想讓可穿戴設(shè)備擁有臨床級(jí)PPG? 看這里就對(duì)了

          作者:ADI執(zhí)行業(yè)務(wù)經(jīng)理Andrew Burt 時(shí)間:2022-11-18 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          在健康和健身的功能列表中,心率(HR)和血氧飽和度(SpO2)正迅速?gòu)?/span>期待擁有階段進(jìn)入有望實(shí)現(xiàn)階段。不過(guò),這種轉(zhuǎn)變卻導(dǎo)致讀數(shù)質(zhì)量下降。這是由于一些傳感器制造商急于滿足市場(chǎng)需求,放松了產(chǎn)品質(zhì)量,引發(fā)人們對(duì)產(chǎn)品精確度的質(zhì)疑。雖然對(duì)于日常使用的,讀數(shù)準(zhǔn)確性可能不太關(guān)鍵,但在臨床級(jí)上,測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量和完整性則必須可靠。因此設(shè)計(jì)人員面臨著一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn):如何在進(jìn)行高質(zhì)量的HRSpO2測(cè)量時(shí),不會(huì)消耗過(guò)多的設(shè)備電池電量?對(duì)此,ADI將在本文介紹為何傳統(tǒng)光學(xué)讀數(shù)方法會(huì)浪費(fèi)電能,并提供一種采用新型架構(gòu)、可執(zhí)行臨床級(jí)測(cè)量的低功耗傳感器IC。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202211/440570.htm

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          1.使用腕戴式設(shè)備測(cè)量HRSpO2 

          光電容積脈搏波描記法(PPG)

          ADI使用一種光電技術(shù)來(lái)測(cè)量HRSpO2,這種技術(shù)被稱為光電容積脈搏波描記法或PPG(圖1)。通過(guò)使用發(fā)光二極管(LED)照射皮膚,并使用光電二極管(PD)產(chǎn)生與接收到的光量成比例的電流,檢測(cè)從表面以下血管反射的光強(qiáng)度的變化(圖2)可獲得PPG信號(hào)。

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          2.使用LEDPD進(jìn)行PPG測(cè)量 

          電流信號(hào)由PPG模擬前端(AFE)調(diào)節(jié),然后由ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以便系統(tǒng)微控制器上運(yùn)行的光學(xué)算法進(jìn)行處理。原則上,單對(duì)LED-PD就足以進(jìn)行PPG測(cè)量,這種結(jié)構(gòu)在臨床設(shè)備中很常見(jiàn)(圖3)。

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          3.在臨床環(huán)境中測(cè)量SpO2HR 

          盡管如此,這些設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境與日常生活中的環(huán)境完全不同。首先,患者保持不動(dòng),由夾在患者指尖的傳感器進(jìn)行測(cè)量。照明條件相對(duì)穩(wěn)定,這會(huì)簡(jiǎn)化PD的光檢測(cè),這些設(shè)備一般都由主電源供電,因而不用擔(dān)心功耗問(wèn)題。 

          相比之下,可穿戴設(shè)備一般是戴在手腕上,這意味著,接觸皮膚的程度不同,一般取決于個(gè)人偏好(腕帶的松緊度)和佩戴者的動(dòng)作情況。每天隨著位置和時(shí)間變化,照明條件會(huì)發(fā)生很大變化,并且這些設(shè)備使用電池供電,因此必須使傳感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(wèn)題變得更具挑戰(zhàn)性。根據(jù)描述,深色皮膚的灌注指數(shù)比淺色皮膚低,這意味著要進(jìn)行測(cè)量就需要更大的照明強(qiáng)度(需要傳感器消耗更多功率)。接下來(lái),看看用于進(jìn)行PPG測(cè)量的不同AFE結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。 

          具有單個(gè)ADC通道的PPG AFE

          增加LED電流或使用兩個(gè)LED,是一種非常直觀的增加皮膚照射強(qiáng)度的方式(圖4),它會(huì)增加皮膚的照射面積。但是,這種方法非常耗電,因?yàn)?/span>LED電流占到PPG系統(tǒng)總功耗的至少50%,根據(jù)佩戴者的皮膚灌注指數(shù),平均功耗可能達(dá)到1mW??傮w而言,這種方法效率低下,且不利于電池壽命。

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          4.使用兩個(gè)LED來(lái)提高皮膚照射強(qiáng)度 

          具有兩個(gè)ADC通道的PPG AFE

          當(dāng)然還可以使用一種更好的方法來(lái)增加皮膚照射量,即使用包含兩個(gè)PDLED,可用于檢測(cè)更多的反射光(圖5)。

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          5.使用包含兩個(gè)PDLED來(lái)改善光檢測(cè) 

          其優(yōu)勢(shì)在于,與使用單個(gè)PD相比,標(biāo)準(zhǔn)的20mA LED電流可降低到10mA,從而實(shí)現(xiàn)相同水平的總PD電流。在具有挑戰(zhàn)性的工作條件下(低皮膚灌注和/或當(dāng)佩戴者移動(dòng)時(shí)),系統(tǒng)算法確定需要更高的LED電流,此時(shí)系統(tǒng)靈敏度也會(huì)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(huì)是之前的兩倍,這會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的總體靈敏度,雖然功耗成本會(huì)增加。 

          具有四個(gè)ADC通道的PPG AFE

          使用四個(gè)PD(需要一個(gè)四通道ADC)來(lái)檢測(cè)反射光可以節(jié)省更多功率(圖6),這是因?yàn)?/span>LED可以更低功率運(yùn)行(表1)。

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          6.使用一個(gè)LED和四個(gè)PD進(jìn)行PPG測(cè)量 

          1匯總列出之前考慮的各種結(jié)構(gòu)的相對(duì)功耗,假設(shè)典型電源電壓為1.6V。 

          1.1通道、2通道和4通道ADC結(jié)構(gòu)的典型功耗比較

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          這種結(jié)構(gòu)提供更高質(zhì)量的讀數(shù),因?yàn)檠芎凸趋涝谑滞笊系姆植际遣粚?duì)稱的,而四個(gè)PD可以幫助消除運(yùn)動(dòng)以及設(shè)備佩戴松緊度帶來(lái)的影響。四個(gè)PD接收器也增大了檢測(cè)所照射血管反射光的幾率。圖7中的圖表顯示使用4個(gè)光電二極管(配置為獨(dú)立的兩對(duì):LEDC1LEDC2)測(cè)量的HR與參考測(cè)量值(polar)之間的對(duì)比。可穿戴設(shè)備需要確保在測(cè)量過(guò)程中保持良好的皮膚接觸。最初,佩戴者先休息,5分鐘(300秒)之后開(kāi)始鍛煉,導(dǎo)致其HR開(kāi)始上升。很明顯,LEDC1LEDC2上的信號(hào)與參考測(cè)量值的偏差程度不同,所以,使用兩對(duì)PD來(lái)捕捉信號(hào)并綜合考慮所有這些偏差是有益的。

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          7.使用兩對(duì)獨(dú)立PD時(shí)獲得的HR讀數(shù)

           

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          8.MAX86177四通道光學(xué)AFE的框圖 

          實(shí)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(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),具有發(fā)射和接收通道,非常適合用于臨床級(jí)(以及通用)便攜式和可穿戴設(shè)備。其發(fā)射端集成兩個(gè)高電流8位可編程LED驅(qū)動(dòng)器,支持多達(dá)6個(gè)LED。接收端集成4個(gè)低噪聲電荷積分前端,每個(gè)前端包含一個(gè)獨(dú)立的20ADC,可以多路復(fù)用來(lái)自8個(gè)PD(配置為四個(gè)獨(dú)立對(duì))的輸入信號(hào)。它實(shí)現(xiàn)了118dB的動(dòng)態(tài)范圍,在120Hz下提供高達(dá)90dB的環(huán)境光消除(ALC)。主電源電壓為1.8VLED驅(qū)動(dòng)電源電壓為3.1V5.5V。該設(shè)備為I2CSPI兼容接口提供完全自主支持。MAX86177采用2.83mm × 1.89mm、28引腳(7×4)晶圓級(jí)封裝(WLP),工作溫度范圍為–40oC+85oC。該AFE的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試樣本顯示缺氧測(cè)量的總均方根誤差為3.12%,在FDA為臨床級(jí)監(jiān)護(hù)儀設(shè)定的3.5%限制范圍內(nèi)。 

          結(jié)論

          臨床級(jí)可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn),就是如何在不顯著消耗設(shè)備電池壽命的情況下進(jìn)行光學(xué)PPG測(cè)量,獲取HRSpO2數(shù)值。ADI設(shè)計(jì)解決方案中可以看出,與使用單個(gè)LEDPD的基本結(jié)構(gòu)相比,四通道ADC結(jié)構(gòu)可以節(jié)省高達(dá)60%的功率。MAX86177的四通道結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)小型封裝中,非常適合用于手指、手腕和耳戴式可穿戴設(shè)備,進(jìn)行臨床級(jí)HRSpO2測(cè)量。它也可用于測(cè)量身體水分含量、肌肉和組織的氧飽和度(SmO2StO2),以及最大耗氧量(VO2最大值)。 

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          關(guān)于ADI公司

          Analog Devices, Inc.(NASDAQ: ADI)在現(xiàn)代數(shù)字經(jīng)濟(jì)的中心發(fā)揮重要作用,憑借其種類豐富的模擬與混合信號(hào)、電源管理、RF、數(shù)字與傳感技術(shù),將現(xiàn)實(shí)世界的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成有行動(dòng)意義的洞察。ADI服務(wù)于全球12.5萬(wàn)家客戶,在工業(yè)、通信、汽車與消費(fèi)市場(chǎng)提供超過(guò)7.5萬(wàn)種產(chǎn)品。ADI公司總部位于馬薩諸塞州威明頓市。

          關(guān)于作者

          Andrew BurtADI公司數(shù)字醫(yī)療健康事業(yè)部的執(zhí)行業(yè)務(wù)經(jīng)理。他主要負(fù)責(zé)公司的醫(yī)療健康產(chǎn)品業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā),包括傳感器、AFE、光學(xué)模塊和算法。Andrew還幫助定義新的傳感器,這將是未來(lái)健康和疾病管理解決方案的一部分。他在牛津布魯克斯大學(xué)攻讀電氣和電子工程專業(yè)。

           




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