心率 （HR） 和血氧飽和度 （SpO2）正在迅速從健康和健身可穿戴設備可用功能列表中的“理想”階段轉變為“預期”階段。然而，這種轉變的結果是，由于一些傳感器制造商急于滿足市場對這些功能的需求，對其產品的準確性提出可疑的聲明，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并不重要，但在臨床級可穿戴設備中，測量的質量和完整性必須是毋庸置疑的。設計師面臨的一個關鍵挑戰是如何制作高質量的人力資源和SpO2測量方式不會對設備的電池造成嚴重消耗。在這個設計解決方案中，我們展示了為什么傳統的光學讀數方法會浪費功率，然后展示一種傳感器IC，該IC使用新穎的架構來大幅降低功耗，同時進行臨床級測量。

光電容積脈搏波

人力資源和SpO2使用稱為光電容積脈搏波或PPG的光學技術進行測量。通過使用發光二極管（LED）照射皮膚并使用光電二極管（PD）檢測從表面以下血管反射的光強度的變化（圖2）獲得PPG信號，該光電二極管（PD）產生與接收光量成比例的電流。

圖2.使用 LED 和 PD 進行 PPG 測量。

電流信號由PPG模擬前端（AFE）調理，然后由ADC轉換，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，這種結構在臨床環境中使用的設備中很常見。

但是，這些設備的運行條件與日常生活中遇到的條件大不相同。首先，患者相對不動，并使用牢固固定在指尖上的傳感器進行測量。照明條件相對恒定，這簡化了PD的光檢測，并且功耗不是問題，因為這些設備通常是由市電供電的。

相比之下，可穿戴設備通常是腕戴式的，這意味著皮膚接觸的程度會有所不同，具體取決于個人喜好（表帶松緊度）和佩戴者的運動。照明條件可能會因位置和一天中的時間而有很大差異，并且由于這些設備由電池供電，因此傳感器的電流消耗必須盡可能低。不同佩戴者的膚色各不相同，這使得這一點更具挑戰性。深色皮膚被描述為灌注指數低于淺色皮膚，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，我們將考慮可用于進行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 是實現更高皮膚照明度的直觀方法（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電流至少占PPG系統功耗的50%，根據佩戴者的皮膚灌注指數，平均可達1 mW。總體而言，這種方法效率低下，不利于電池壽命。

圖4.使用兩個 LED 實現更好的皮膚照明。

具有雙通道 ADC 通道的 PPG AFE

增加皮膚照度的更好方法是使用帶有兩個PD的單個LED，可用于檢測更多的反射光（圖5）。

圖5.使用一個 LED 和兩個 PD，以獲得更好的光檢測。

優點是，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。在具有挑戰性的工作條件下（皮膚灌注不足和/或佩戴者移動時），系統算法確定需要更高的LED電流，可以實現系統靈敏度的成比例提高。例如，應用與先前布置相同的LED電流可使PD電流增加100%，從而提供更高的整體靈敏度，盡管代價是功耗增加。

具有四通道ADC通道的PPG AFE

使用四個PD（需要四通道ADC）檢測反射光可以節省更多功率（圖6），因為LED的運行功率要低得多（表1）。

圖6.PPG 使用一個 LED 和四個 PD。

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。

這種架構提供更高質量的讀數，因為血管和骨骼不對稱地分布在手腕中，四個PD有助于減輕運動的影響以及佩戴者固定設備的緊密程度。四個PD接收器還增加了檢測從照明血管反射的光的概率。圖 7 中的圖表顯示了使用四個光電二極管（配置為兩個獨立對：LEDC1 和 LEDC2）相對于參考測量（極性）測量的心率。可穿戴設備需要確保在進行此測量時保持良好的皮膚接觸。最初，佩戴者處于休息狀態，然后在 5 分鐘（300 秒）后開始鍛煉，導致他們的心率增加。很明顯，LEDC1和LEDC2上的信號與參考測量的偏差不同，使用兩對PD捕獲和組合所有這些偏差的好處是顯而易見的。

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）為超低功耗四通道光數據采集系統，具有發射和接收通道，理想用于臨床級（以及通用）便攜式和可穿戴設備。在發射器側，它具有兩個大電流 8 位可編程 LED 驅動器，支持多達 6 個 LED。在接收器側，它具有四個低噪聲電荷積分前端，每個前端包括獨立的20位ADC，可以多路復用來自八個PD的輸入信號（配置為四個獨立的對）。它實現了 118 dB 的動態范圍，并在 120 Hz 時提供高達 90 dB 的環境光消除 （ALC）。它采用1.8 V主電源供電，LED驅動器電源電壓為3.1 V至5.5 V 。該器件為 I2C 和 SPI 兼容接口提供完全自主的支持。MAX86177采用7 × 4、28引腳晶圓級封裝（WLP），尺寸為2.83 mm×1.89 mm，工作溫度范圍為–40°C至+85°C。該AFE的實驗室測試樣品在缺氧測量時表現出3.12%的總均方根誤差，遠在FDA為臨床級監測儀設定的3.5%限制之內。

圖8.MAX86177四通道光學AFE框圖

結論

臨床級可穿戴設備設計人員最頭疼的是如何對HR和SpO進行光學PPG測量2不會顯著消耗設備的電池壽命。在此設計解決方案中，我們已經證明，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的四通道架構采用小尺寸封裝，理想用于手指、腕部和耳戴式可穿戴設備，以測量臨床級心率和SpO2.它還可用于測量身體水合作用、肌肉和組織氧飽和度（SmO2和 StO2）和最大耗氧量（VO2最大）。

審核編輯：郭婷