測量多個(gè)參數(shù)、準(zhǔn)確的讀數(shù)和較長的電池壽命——這些是可穿戴健康設(shè)備最關(guān)鍵的參數(shù)。

自從10年前第一款計(jì)步器上市以來，很多事情都發(fā)生了變化。最初，測量只關(guān)注步數(shù)計(jì)數(shù)。已經(jīng)對(duì)十年進(jìn)行了研究，結(jié)果是每天 10，000 步可以在卡路里攝入量與燃燒的卡路里量之間取得良好的平衡。同時(shí)，可穿戴設(shè)備還增加了其他功能和特性，例如測量心率、心率變異性、體溫和皮膚電導(dǎo)率?？纱┐髟O(shè)備最初用于運(yùn)動(dòng)和健康目的，現(xiàn)在正緩慢地走向更多的醫(yī)療市場。通過這種轉(zhuǎn)變，我們必須更多地依賴測量的準(zhǔn)確性和電池壽命。設(shè)備通過單次電池充電運(yùn)行的時(shí)間越長，用戶就越容易采用它。

本文介紹了用于可穿戴健康設(shè)備的新一代產(chǎn)品，包括如何使您的系統(tǒng)更可靠、更節(jié)能的提示和技巧。

用于心率測量的PPG

說到我們的健康，我們身體中最重要的器官之一是心臟。它可以被視為我們?nèi)祟愊到y(tǒng)的引擎。沒有一顆表現(xiàn)良好的心臟，我們可能會(huì)面臨嚴(yán)重的健康問題。因此，監(jiān)測心臟功能是一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)先事項(xiàng)。檢查我們的心率有很多很好的理由，這些理由超出了每分鐘的心跳次數(shù)。除此之外，我們可以從心臟的行為中檢索到大量的附加信息，即頻率與活動(dòng)的函數(shù)。當(dāng)身體要求更多的活動(dòng)時(shí)，心率應(yīng)該上升，為細(xì)胞帶來更多營養(yǎng)和含氧的血液。持續(xù)的高心率不好，快速變化的心率也不好，這可能是心房顫動(dòng)等心臟病的指標(biāo)。

除了監(jiān)測心率外，還有另一個(gè)參數(shù)稱為心率變異性（HRV）。當(dāng)人們放松時(shí)，他們的心臟不會(huì)以每分鐘固定的跳動(dòng)次數(shù)跳動(dòng)，但您應(yīng)該在心率周圍經(jīng)歷輕微的變化，大約在每分鐘 ±3 次的范圍內(nèi)。這種變化是放松的指標(biāo)。在人們感到壓力或受到驚嚇反應(yīng)的那一刻，體內(nèi)的腎上腺素水平上升，心臟開始以非常單調(diào)的頻率跳動(dòng)。因此，參數(shù) HRV 對(duì)于監(jiān)控非常重要。

檢索心臟信號(hào)的經(jīng)典方法是使用心電圖 （ECG） 進(jìn)行生物電位測量;然而，這并不容易集成到可穿戴設(shè)備中。

除了生物電勢之外，測量心率的趨勢是利用光學(xué)原理。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)存在了相當(dāng)長的一段時(shí)間，被稱為光電容積描記圖（PPG）。PPG技術(shù)主要用于測量血液中氧飽和度（SPO2）的系統(tǒng)。對(duì)于SPO2測量，您通過身體的特定部位（通常是手指或耳垂）發(fā)送兩種波長的光，并測量氧合血紅蛋白的百分比與血紅蛋白總量的百分比。由于該技術(shù)還允許您測量心率，因此通常用于可穿戴系統(tǒng)，例如小型腕戴式設(shè)備，并且與生物電位測量不同，可以使用單個(gè)測量點(diǎn)來獲取心率。ADI公司的ADPD174是一款光子系統(tǒng)，專為支持這些應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

反射與透射

由于我們大多數(shù)人都熟悉 SPO2 測量，這通常是用耳垂手指上的夾子進(jìn)行的。光通過身體的一部分發(fā)送，在相反的位置，接收到的信號(hào)由光電二極管測量。使用這種傳輸技術(shù)，我們正在測量接收或未吸收的光量。就信號(hào)性能與功耗而言，這一原理是同類最佳的。然而，在舒適性是關(guān)鍵性的可穿戴系統(tǒng)中，透射式測量的集成并非易事，因此反射測量更常用。在反射光學(xué)系統(tǒng)中，光被發(fā)送到組織表面，其中一部分被紅細(xì)胞吸收，剩余的光被反射回組織表面并通過光傳感器測量。在反射系統(tǒng)中，接收信號(hào)弱了60 dB，因此我們需要更加關(guān)注電氣和光學(xué)方面的發(fā)射和接收信號(hào)鏈。

電子和機(jī)械挑戰(zhàn)

在心跳期間，血液的流動(dòng)和體積正在發(fā)生變化，導(dǎo)致接收到的反射光量的散射。用于測量PPG信號(hào)的光的波長可能因許多因素而異，首先是測量類型。在本文中，我們將自己限制在心率及其變化的測量上。對(duì)于這種測量，所需的波長不僅取決于我們正在測量的身體上的位置，還取決于相對(duì)灌注水平、組織溫度和組織的色調(diào)。一般來說，對(duì)于腕戴式設(shè)備，動(dòng)脈不在手腕頂部，您需要從皮膚表面下方的靜脈和毛細(xì)血管中拾取脈動(dòng)成分。這些應(yīng)用中的綠燈為我們提供了最佳的接收效果。在有足夠血流量的地方，如上臂、太陽穴或耳道，紅色或紅外線會(huì)更有效，因?yàn)樗鼤?huì)更深入地滲透到組織中——特別是對(duì)于電池電量和尺寸始終是一個(gè)問題的可穿戴應(yīng)用，紅色或紅外 LED 帶來了額外的優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈冃枰^低的正向電壓。對(duì)于使用紐扣電池的應(yīng)用，這些LED可以直接由電池電壓驅(qū)動(dòng)。

不幸的是，綠色LED需要更高的正向電壓，這需要額外的升壓轉(zhuǎn)換器，因此它將對(duì)系統(tǒng)的整體電流消耗產(chǎn)生負(fù)面影響。圖2顯示了不同LED顏色所需的正向電壓與電流的關(guān)系。如果仍然需要綠色LED，ADP2503降壓/升壓轉(zhuǎn)換器有助于支持最高5.5 V的更高LED正向電壓，輸入電壓可低至2.3 V。

圖2.所需的 LED 正向電壓與 LED 電流的關(guān)系。

在權(quán)衡傳感器位置和LED顏色等因素時(shí)，下一步是選擇最合適的光學(xué)解決方案。在模擬前端方面有很多選擇，無論是分立構(gòu)建的還是完全集成的，但也有多種光傳感器和LED可供選擇。為了最大限度地減少設(shè)計(jì)工作并縮短上市時(shí)間，ADI公司構(gòu)建了一個(gè)完全集成的光學(xué)子系統(tǒng)，用于反射式光學(xué)測量。它被稱為ADPD174，包含運(yùn)行光學(xué)測量所需的一切。在圖3中，您可以找到ADPD174子系統(tǒng)的框圖。該模塊的尺寸為6.5毫米×2.8毫米，這使得它對(duì)可穿戴系統(tǒng)極具吸引力。

圖3.ADPD174光學(xué)子系統(tǒng)框圖。

該模塊圍繞一個(gè)大光電二極管、兩個(gè)綠色 LED 和一個(gè)紅外 LED 構(gòu)建。板載混合信號(hào)ASIC包括模擬信號(hào)處理模塊、SAR型ADC、數(shù)字信號(hào)處理模塊、I2C通訊接口，以及三個(gè)自由可編程的LED電流源。

該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) LED，并用其 1.2 mm 測量相應(yīng)的光返回信號(hào)2光電二極管。使用可穿戴設(shè)備測量PPG的最大挑戰(zhàn)是克服環(huán)境光和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影等干擾因素。環(huán)境光會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生難以置信的影響。陽光并不難排斥，但特別是來自熒光燈和節(jié)能燈（包括交流組件）的光很難消除。ADPD174光學(xué)模塊具有兩級(jí)環(huán)境光抑制功能。在光傳感器和輸入放大器級(jí)之后，集成了一個(gè)帶通濾波器，然后集成了一個(gè)同步解調(diào)器，為直流至100 kHz的環(huán)境光和干擾提供同類最佳的抑制。該ADC的分辨率為14位，脈沖值高達(dá)255個(gè)，可以將其相加以得到20位測量值。通過累積多個(gè)樣本，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)27位的額外分辨率。

ADPD174在兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)隙中工作，例如，測量兩個(gè)獨(dú)立的波長，并可以按順序執(zhí)行結(jié)果。在每個(gè)時(shí)隙中，執(zhí)行完整的信號(hào)路徑，從LED刺激開始，然后是光信號(hào)捕獲和數(shù)據(jù)處理。

每個(gè)電流源能夠以高達(dá) 250 mA 的電流驅(qū)動(dòng)連接的 LED。對(duì)LED脈沖的創(chuàng)新控制使平均功耗保持在較低水平，并大大有助于節(jié)省功耗和延長系統(tǒng)的電池壽命。

這種LED驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是它是動(dòng)態(tài)的，并且可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。有許多因素會(huì)影響接收光信號(hào)的信噪比（SNR），例如膚色或傳感器與皮膚之間的毛發(fā)，這些因素會(huì)影響接收側(cè)的靈敏度。因此，可以非常容易地配置LED的激勵(lì)，以構(gòu)建自適應(yīng)系統(tǒng)。所有定時(shí)和同步均由模擬前端處理，因此系統(tǒng)中的微處理器不需要開銷。使用 ADPD174，您將能夠在正常情況下以大約一毫瓦的功率水平運(yùn)行可靠的心率監(jiān)測器。為了找到這個(gè)工作點(diǎn)，我們可以在設(shè)置最大LED峰值電流的同時(shí)調(diào)整跨阻放大器（TIA）的增益。優(yōu)化LED電流和TIA增益后，我們可以增加LED脈沖的數(shù)量以獲得更多信號(hào)。請(qǐng)注意，增加LED峰值電流會(huì)成比例地增加SNR，而將脈沖數(shù)增加n倍，僅導(dǎo)致n（√n）根的SNR改善。

為您的心率設(shè)備找到最佳設(shè)置也在很大程度上取決于用戶。用戶的膚色會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度以及設(shè)備定位、溫度和血流。為了計(jì)算功耗，光前端可以看作是兩個(gè)獨(dú)立的功率貢獻(xiàn)者，IADPD和ILED。IADPD是輸入放大器級(jí)、ADC和數(shù)字狀態(tài)機(jī)消耗的電流。這些功率值在很大程度上取決于ADC的采樣速率。LED電流ILED會(huì)隨著人的膚色和傳感器在身體上的位置而變化。對(duì)于較深的膚色，需要更多的LED電流，以及當(dāng)血流量很少時(shí)，傳感器在身體上的位置。平均LED電流隨LED驅(qū)動(dòng)脈沖寬度、脈沖數(shù)和ADC采樣時(shí)間而變化。平均LED電流是最大LED電流乘以脈沖寬度和脈沖數(shù)。這可以看作是一個(gè)時(shí)隙，每次采集新樣本時(shí)都會(huì)重復(fù)。脈沖寬度可以窄至1 μs。

為了在手腕上進(jìn)行良好的心率測量，當(dāng)使用兩個(gè)寬度為 1 μs 的脈沖時(shí)，需要大約 125 mA 的 LED 峰值電流。考慮到100 Hz的采樣頻率，LED驅(qū)動(dòng)的平均功耗為25 μA。當(dāng)我們增加250 μA平均AFE電流時(shí)，光前端消耗275 μA （@ 3 V = 825 μW）。

其他機(jī)械挑戰(zhàn)

我們討論了環(huán)境光干擾是設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)的挑戰(zhàn)之一。反射模式光學(xué)系統(tǒng)還有另一個(gè)需要克服的巨大挑戰(zhàn)，稱為內(nèi)部光污染。在完美設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，來自LED的所有光都被發(fā)送到組織中，只有反射光被光傳感器看到和測量。然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，LED光可以被外殼的透明窗口反射并直接發(fā)送回光傳感器，而不會(huì)穿透光路標(biāo)記為綠色的組織（如圖4所示）。

圖4.內(nèi)部光污染的解釋。

這種ILP效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致直流偏移，并將限制信號(hào)的交流分量，也稱為調(diào)制指數(shù)（MI）。事實(shí)上，MI是我們唯一感興趣的信號(hào)。ILP 可以通過分離窗口來解決，但是，在批量生產(chǎn)中實(shí)施起來非常困難且成本高昂。ADPD174是這個(gè)問題的解決方案。它具有專門設(shè)計(jì)的外殼，可減少ILP行為，而無需分離外殼中的透明窗口。在圖5中，ADPD174 ILP降低幅度與前代產(chǎn)品相比的改進(jìn)與LED電流的函數(shù)關(guān)系。與市場上其他分立式或集成式器件相比，這是另一個(gè)優(yōu)勢。

圖5.ADPD174 ILP 影響與其前身的比較。

系統(tǒng)總功率

在光學(xué)系統(tǒng)中，除了光干擾源外，還需要消除運(yùn)動(dòng)的干擾。運(yùn)動(dòng)會(huì)影響可穿戴系統(tǒng)的整體性能，因?yàn)橛捎谶\(yùn)動(dòng)，機(jī)械連接或與組織的接觸可能會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光學(xué)讀數(shù)錯(cuò)誤。因此，測量設(shè)備的運(yùn)動(dòng)并補(bǔ)償干擾源非常重要。ADI公司的超低功耗3軸ADxL362 MEM傳感器完美支持這些需求。該傳感器可測量所有三個(gè)軸，并具有集成的12位SAR ADC，LSB尺寸為1 mg，并且能夠通過數(shù)字SPI接口進(jìn)行通信。功耗與ADC采樣速率成比例變化，在每軸100 Hz的數(shù)據(jù)輸出速率下，傳感器的功耗僅為1.8 μA。該器件采用3 mm×3 mm封裝，但新一代產(chǎn)品正在開發(fā)中，使用的PCB面積僅為ADxL362的四分之一。

到目前為止，我們已經(jīng)討論了構(gòu)建用于監(jiān)測心率和心率變異性的可穿戴健康設(shè)備所需的各種傳感器。仍然缺少的是系統(tǒng)的核心，將所有這些傳感器連接在一起，運(yùn)行所需的軟件算法，并存儲(chǔ)，可視化或傳輸結(jié)果。ADI公司的ADuCM3027/ADuCM3029 Cortex-M3處理器最近發(fā)布，能夠滿足這些需求。它是一款超低功耗、混合信號(hào)微控制器，每MHz處理功耗<38 μA。該處理器的最大時(shí)鐘頻率為 26 MHz，可在四種不同的電源模式下工作，參見表 1。?

混合信號(hào)前端包括一個(gè)12位SAR型ADC、基準(zhǔn)電壓緩沖器和溫度傳感器。板載有 128 kB 或 256 kB 板載閃存、4 kB 高速緩存和 64 kB SRAM。在保護(hù)設(shè)備內(nèi)容不被未經(jīng)授權(quán)的用戶通過外部接口讀取方面，已經(jīng)花費(fèi)了大量精力。這對(duì)設(shè)備制造商保護(hù)其代碼和算法具有巨大的價(jià)值。最后，ADuCM302x可以采用1.8 V至3.6 V的單工作電壓工作，內(nèi)部1.2 V內(nèi)核電壓可由板載LDO或其更高效的開關(guān)電容降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。

為了將測量結(jié)果無線上傳到主機(jī)處理器，需要相當(dāng)多的整體系統(tǒng)功率。預(yù)處理測量結(jié)果將有助于減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。這帶來了額外的節(jié)能效果。

讓您的健康設(shè)備自學(xué)

在前面的段落中，您已經(jīng)了解到ADI非常關(guān)注傳感器和混合信號(hào)解決方案，主要關(guān)注性能和低功耗。這些芯片和子系統(tǒng)使得為健康和運(yùn)動(dòng)和保健市場構(gòu)建設(shè)備成為可能，這些設(shè)備可以使用單個(gè)紐扣電池運(yùn)行很長時(shí)間。挑戰(zhàn)始終是用盡可能低的耗散功率構(gòu)建具有足夠好性能的系統(tǒng)。自適應(yīng)算法可以幫助提高整體性能，并找到系統(tǒng)功耗的最佳點(diǎn)。每次使用器件時(shí)，都可以對(duì)設(shè)置進(jìn)行微小的更改，以達(dá)到最佳的SNR性能和相關(guān)的HRM精度。

審核編輯：郭婷