測量多個參數、準確的讀數和較長的電池壽命——這些是可穿戴健康設備最關鍵的參數。

自從10年前第一款計步器上市以來，很多事情都發生了變化。最初，測量只關注步數計數。已經對十年進行了研究，結果是每天 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，可穿戴設備還增加了其他功能和特性，例如測量心率、心率變異性、體溫和皮膚電導率。可穿戴設備最初用于運動和健康目的，現在正緩慢地走向更多的醫療市場。通過這種轉變，我們必須更多地依賴測量的準確性和電池壽命。設備通過單次電池充電運行的時間越長，用戶就越容易采用它。

本文介紹了用于可穿戴健康設備的新一代產品，包括如何使您的系統更可靠、更節能的提示和技巧。

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。它可以被視為我們人類系統的引擎。沒有一顆表現良好的心臟，我們可能會面臨嚴重的健康問題。因此，監測心臟功能是一個關鍵的優先事項。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。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，即頻率與活動的函數。當身體要求更多的活動時，心率應該上升，為細胞帶來更多營養和含氧的血液。持續的高心率不好，快速變化的心率也不好，這可能是心房顫動等心臟病的指標。

除了監測心率外，還有另一個參數稱為心率變異性（HRV）。當人們放松時，他們的心臟不會以每分鐘固定的跳動次數跳動，但您應該在心率周圍經歷輕微的變化，大約在每分鐘 ±3 次的范圍內。這種變化是放松的指標。在人們感到壓力或受到驚嚇反應的那一刻，體內的腎上腺素水平上升，心臟開始以非常單調的頻率跳動。因此，參數 HRV 對于監控非常重要。

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

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

反射與透射

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

電子和機械挑戰

在心跳期間，血液的流動和體積正在發生變化，導致接收到的反射光量的散射。用于測量PPG信號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，還取決于相對灌注水平、組織溫度和組織的色調。一般來說，對于腕戴式設備，動脈不在手腕頂部，您需要從皮膚表面下方的靜脈和毛細血管中拾取脈動成分。這些應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，紅色或紅外線會更有效，因為它會更深入地滲透到組織中——特別是對于電池電量和尺寸始終是一個問題的可穿戴應用，紅色或紅外 LED 帶來了額外的優勢，因為它們需要較低的正向電壓。對于使用紐扣電池的應用，這些LED可以直接由電池電壓驅動。

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換器，因此它將對系統的整體電流消耗產生負面影響。圖2顯示了不同LED顏色所需的正向電壓與電流的關系。如果仍然需要綠色LED，ADP2503降壓/升壓轉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 電流的關系。

在權衡傳感器位置和LED顏色等因素時，下一步是選擇最合適的光學解決方案。在模擬前端方面有很多選擇，無論是分立構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計工作并縮短上市時間，ADI公司構建了一個完全集成的光學子系統，用于反射式光學測量。它被稱為ADPD174，包含運行光學測量所需的一切。在圖3中，您可以找到ADPD174子系統的框圖。該模塊的尺寸為6.5毫米×2.8毫米，這使得它對可穿戴系統極具吸引力。

圖3.ADPD174光學子系統框圖。

該模塊圍繞一個大光電二極管、兩個綠色 LED 和一個紅外 LED 構建。板載混合信號ASIC包括模擬信號處理模塊、SAR型ADC、數字信號處理模塊、I2C通訊接口，以及三個自由可編程的LED電流源。

該系統驅動 LED，并用其 1.2 mm 測量相應的光返回信號2光電二極管。使用可穿戴設備測量PPG的最大挑戰是克服環境光和運動產生的偽影等干擾因素。環境光會對測量結果產生難以置信的影響。陽光并不難排斥，但特別是來自熒光燈和節能燈（包括交流組件）的光很難消除。ADPD174光學模塊具有兩級環境光抑制功能。在光傳感器和輸入放大器級之后，集成了一個帶通濾波器，然后集成了一個同步解調器，為直流至100 kHz的環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255個，可以將其相加以得到20位測量值。通過累積多個樣本，可以實現高達27位的額外分辨率。

ADPD174在兩個獨立的時隙中工作，例如，測量兩個獨立的波長，并可以按順序執行結果。在每個時隙中，執行完整的信號路徑，從LED刺激開始，然后是光信號捕獲和數據處理。

每個電流源能夠以高達 250 mA 的電流驅動連接的 LED。對LED脈沖的創新控制使平均功耗保持在較低水平，并大大有助于節省功耗和延長系統的電池壽命。

這種LED驅動電路的優點是它是動態的，并且可以動態擴展。有許多因素會影響接收光信號的信噪比（SNR），例如膚色或傳感器與皮膚之間的毛發，這些因素會影響接收側的靈敏度。因此，可以非常容易地配置LED的激勵，以構建自適應系統。所有定時和同步均由模擬前端處理，因此系統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行可靠的心率監測器。為了找到這個工作點，我們可以在設置最大LED峰值電流的同時調整跨阻放大器（TIA）的增益。優化LED電流和TIA增益后，我們可以增加LED脈沖的數量以獲得更多信號。請注意，增加LED峰值電流會成比例地增加SNR，而將脈沖數增加n倍，僅導致n（√n）根的SNR改善。

為您的心率設備找到最佳設置也在很大程度上取決于用戶。用戶的膚色會影響信號強度以及設備定位、溫度和血流。為了計算功耗，光前端可以看作是兩個獨立的功率貢獻者，IADPD和ILED。IADPD是輸入放大器級、ADC和數字狀態機消耗的電流。這些功率值在很大程度上取決于ADC的采樣速率。LED電流ILED會隨著人的膚色和傳感器在身體上的位置而變化。對于較深的膚色，需要更多的LED電流，以及當血流量很少時，傳感器在身體上的位置。平均LED電流隨LED驅動脈沖寬度、脈沖數和ADC采樣時間而變化。平均LED電流是最大LED電流乘以脈沖寬度和脈沖數。這可以看作是一個時隙，每次采集新樣本時都會重復。脈沖寬度可以窄至1 μs。

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

其他機械挑戰

我們討論了環境光干擾是設計光學系統時的挑戰之一。反射模式光學系統還有另一個需要克服的巨大挑戰，稱為內部光污染。在完美設計的系統中，來自LED的所有光都被發送到組織中，只有反射光被光傳感器看到和測量。然而，在現實生活中，LED光可以被外殼的透明窗口反射并直接發送回光傳感器，而不會穿透光路標記為綠色的組織（如圖4所示）。

圖4.內部光污染的解釋。

這種ILP效應會導致直流偏移，并將限制信號的交流分量，也稱為調制指數（MI）。事實上，MI是我們唯一感興趣的信號。ILP 可以通過分離窗口來解決，但是，在批量生產中實施起來非常困難且成本高昂。ADPD174是這個問題的解決方案。它具有專門設計的外殼，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降低幅度與前代產品相比的改進與LED電流的函數關系。與市場上其他分立式或集成式器件相比，這是另一個優勢。

圖5.ADPD174 ILP 影響與其前身的比較。

系統總功率

在光學系統中，除了光干擾源外，還需要消除運動的干擾。運動會影響可穿戴系統的整體性能，因為由于運動，機械連接或與組織的接觸可能會發生變化，從而導致光學讀數錯誤。因此，測量設備的運動并補償干擾源非常重要。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軸，并具有集成的12位SAR ADC，LSB尺寸為1 mg，并且能夠通過數字SPI接口進行通信。功耗與ADC采樣速率成比例變化，在每軸100 Hz的數據輸出速率下，傳感器的功耗僅為1.8 μA。該器件采用3 mm×3 mm封裝，但新一代產品正在開發中，使用的PCB面積僅為ADxL362的四分之一。

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

混合信號前端包括一個12位SAR型ADC、基準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。在保護設備內容不被未經授權的用戶通過外部接口讀取方面，已經花費了大量精力。這對設備制造商保護其代碼和算法具有巨大的價值。最后，ADuCM302x可以采用1.8 V至3.6 V的單工作電壓工作，內部1.2 V內核電壓可由板載LDO或其更高效的開關電容降壓轉換器產生。

為了將測量結果無線上傳到主機處理器，需要相當多的整體系統功率。預處理測量結果將有助于減少需要傳輸的數據量。這帶來了額外的節能效果。

讓您的健康設備自學

在前面的段落中，您已經了解到ADI非常關注傳感器和混合信號解決方案，主要關注性能和低功耗。這些芯片和子系統使得為健康和運動和保健市場構建設備成為可能，這些設備可以使用單個紐扣電池運行很長時間。挑戰始終是用盡可能低的耗散功率構建具有足夠好性能的系統。自適應算法可以幫助提高整體性能，并找到系統功耗的最佳點。每次使用器件時，都可以對設置進行微小的更改，以達到最佳的SNR性能和相關的HRM精度。

審核編輯：郭婷