隨著可穿戴設(shè)備逐漸從運動助手、娛樂工具的產(chǎn)品定位升級到健康伴侶，具備PPG（光電容積脈搏波描記法）測量心率（HR)、血氧飽和度（SpO2）及其他生物計量指標(biāo)，也成為“剛需”功能。

因此，可穿戴設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)：如何在終端應(yīng)用整體方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一款高精度、高可靠，甚至滿足臨床級的PPG測量方案？

此文將提供多種可穿戴設(shè)備的PPG測量方案設(shè)計，滿足終端客戶的設(shè)計需求。

PPG的心率、血氧測量原理

通常來說，PPG測量方案由光發(fā)射器（發(fā)光二極管，LED）、光感應(yīng)器（光電二極管，PD）、模擬前端（AFE）芯片及加速計構(gòu)成。

PPG檢測即通過光發(fā)射器將光波照進(jìn)皮膚內(nèi)部，再由光感應(yīng)器接收光強(qiáng)變化，最后通過模擬前端芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)而獲取PPG原始信號。其間，加速計可測量人體運動狀態(tài)，與光信號結(jié)合使用，可作為PPG算法輸入。

在PPG檢測后期，可通過復(fù)雜的算法，處理來自模擬前端和加速計的原始信號，從而生成持續(xù)的運動容錯心率、血氧數(shù)據(jù)和其他生物計量數(shù)據(jù)。

PPG的心率檢測原理：利用人體的血液容積會隨著心臟律動呈搏動性變化，光感應(yīng)器接收的光強(qiáng)也隨之呈搏動性變化。通過PPG模擬前端（AFE）芯片調(diào)節(jié)，即可將光強(qiáng)變化信號轉(zhuǎn)換為電信號，由此計算心率值。

PPG的血氧飽和度檢測原理：利用氧中血紅蛋白與脫氧血紅蛋白對紅光（660nm）和紅外光（940nm）的吸收光譜不同，測量氧和血紅蛋白的濃度，即可提供可連續(xù)的動態(tài)血氧監(jiān)測PPG信號。

PPG光路結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計介紹

PPG檢測結(jié)果的精度與原始信號的質(zhì)量和穩(wěn)定性密切相關(guān)，而原始信號與PPG光路結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)。因此，擁有高品質(zhì)的PPG光路結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，是可穿戴設(shè)備實現(xiàn)高精度PPG檢測功能的基礎(chǔ)。

PPG光路結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括光學(xué)小板布局、光窗設(shè)計和相關(guān)結(jié)構(gòu)工藝選擇等。其中，PD與LED透光光窗的光路傳導(dǎo)路徑及結(jié)構(gòu)疊層（LED沿手臂方向擺放），如圖1所示：

圖1 可穿戴設(shè)備的PPG光路方向示意圖

需要注意的是，為了保證靜息、運動不同狀態(tài)下的心率檢測結(jié)果，PPG光路結(jié)構(gòu)設(shè)計要確保光學(xué)窗口與皮膚緊密貼合、盡量減少環(huán)境光干擾，以及盡量減少發(fā)射光未經(jīng)檢測目標(biāo)進(jìn)入PD。

1 光學(xué)小板主要布局

通常來說，PPG光路布局中心（通常為凸臺中心）與可穿戴設(shè)備中心重合。用于測量心率的綠燈中心與PD中心間距（gd）建議3.8～4.5mm，推薦值3.8mm。用于測量血氧的紅燈及紅外燈中心與PD中心間距（rd）建議5.5～7.5mm，推薦值6.6mm。常見布局如下：

十字形光路布局：光路布局中心位置對稱設(shè)計兩個三合一LED，PD均勻分布在四周，見圖2所示。

圖2 十字形光路（PD在四周）在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

T字形光路布局：光路布局中心位置附近放置PD，兩個綠燈LED沿表帶方向關(guān)于PD中心對稱分布，血氧LED燈設(shè)計在兩個綠燈LED中心的中垂線上，見圖3所示。

圖3 T字形光路（PD在四周）在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

一字形光路布局A：以PD中心和血氧燈光學(xué)中心的連線中心作為光路布局中心位置，沿表帶方向分別設(shè)置PD、綠燈、血氧LED燈，見圖4所示。

圖4 一字形光路（PD在邊上）在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

一字形光路布局B：以綠燈光學(xué)中心和血氧燈光學(xué)中心的連線中心作為光路布局中心位置，綠燈和血氧LED燈沿表帶方向設(shè)置，PD放在兩燈的中間位置，見圖5所示。

圖5 一字形光路（PD在中間）在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

2 光窗設(shè)計方案

通常來說，光窗設(shè)計方案有兩種：雙色模光窗方案、絲印鏡片光窗方案。

雙色模光窗方案設(shè)計：雙色模光窗方案指采用雙色注塑工藝，將透明光窗部分與不透光殼體整體注塑成為一體，見圖6所示。圖6 雙色模光窗方案示意圖

雙色模光窗方案更能減少竄光，結(jié)構(gòu)也更穩(wěn)定可靠，但模具成本相對更高。

絲印鏡片光窗方案設(shè)計：絲印鏡片光窗方案，指在殼體上面粘貼一片或多片鏡片，在鏡片底部把非透光區(qū)域絲印一層黑色油墨阻擋光的傳遞，而光穿過透光區(qū)域（光窗）則形成固定的光路。結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 絲印鏡片光窗方案示意圖

因為光窗材質(zhì)透明，為減少光線經(jīng)過LED光窗時直接傳導(dǎo)至PD光窗，LED光窗內(nèi)表面建議做增透處理（如菲涅爾紋）提升光效，PD光窗內(nèi)表面也可做菲涅爾紋聚光增透處理。

結(jié)語

即便有優(yōu)秀的PPG方案結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，要想系統(tǒng)性能獲得最大發(fā)揮，仍有賴于高品質(zhì)的模擬前端芯片的配合。

芯海科技CS1262是一款專用于PPG信號采集的模擬前端（AFE）產(chǎn)品。該產(chǎn)品是第一款在技術(shù)上適配OpenHarmony生態(tài)的“健康測量”傳感器芯片。該產(chǎn)品基于OpenHarmony系統(tǒng)環(huán)境下，能夠為終端品牌產(chǎn)品提供全棧解決方案，可用于心率、血氧、血壓等健康指標(biāo)的采集與分析。

當(dāng)前，CS1262產(chǎn)品實測的關(guān)鍵性能指標(biāo)達(dá)到業(yè)界一流水平，可與主流 AFE設(shè)計兼容，能夠為客戶提供高配置、高精度測量、超強(qiáng)抗干擾、低功耗、全膚色支持、高可靠及易用性等七大核心價值。

未來還將與公司的BIA、ECG等健康測量產(chǎn)品，共同構(gòu)建平臺型產(chǎn)品建設(shè)。