自從十年前第一台計步器出現在市場以來,情況已有很大的改變。最初,其測量只著重於步伐數量的計算。經過十年來的研究結論是,大約每天行走1萬步即可每日達到卡路里攝入量與卡路里燃燒量之間的良好平衡。同時,更多的功能和特點陸續續地被加入穿戴式裝置中,如測量心率、心率變異性、體溫和皮膚電導值等。

穿戴式裝置最初原本是針對運動和健身的目的而出現,而今已逐漸轉移至更偏向醫療的領域。隨著這一趨勢轉變,我們將更加依賴於測量的準確度和電池的壽命。裝置在每一次電池充電後所能持續運行的時間越長,就越容易得到消費者的接受。

本文將介紹專為穿戴式保健裝置推出的新一代元件,並提供一些如何讓產品系統更可靠和省電的設計技巧與提示。

心率測量PPG

當談到有關於健康的話題時,無庸置疑地,身體最重要的器官之一就是心臟。它可以被視為人類系統的引擎,如果沒有狀況良好的心臟,我們就可能會面對嚴重的健康問題。因此,監測心臟功能是關鍵的優先要務。

有很多原因讓我們必須檢查心率以確保高於每分鐘的心跳。此外,以活動作用頻率的觀點而言,從心臟的行為中可以得到大量的額外資訊。當身體需要較多的活動時,心率就會上升以便為細胞帶來更多的營養和血氧含量。但連續性的高心率並不是好事,而快速的心率變化也同樣不好,因為它可能是心臟疾病的指標,如心房顫動(atrial fibrillation) 。

除了監測心跳的頻率,還有另一項稱為心率變異(HRV)的重要參數。當我們處於放鬆狀態時,心臟並不會每分鐘都以固定的節拍跳動,而應該可以觀察到心率的微幅變化,其變動範圍大約在每分鐘±3次。這種變化是放鬆的一項指標。而當我們感到壓力或產生驚訝的反應時,體內的腎上腺素上升,心臟開始以單一的頻率跳動。因此,HRV參數是一項重要的監測指標。

取得心臟訊號最常見的方法是透過生物電位測量與心電圖(ECG);然而,要將此技術整合在穿戴式裝置中並不容易。

除了生物電位,測量心率的一種新趨勢是利用光學原理。這種技術已經存在一段時間了,通常被稱為光體積變化描記圖技術(Photoplethysmography;PPG)。PPG技術主要用於測量血氧濃度(SPO2)的系統中。在量測SPO2時,通常經由人體特定部位(通常是手指或耳垂)發送出兩種波長的光線,藉此測量到氧合血紅蛋白(oxygenated hemoglobin)量相對於血紅蛋白(hemoglobin)總量的百分比值。由於這種技術還可以測量心率,因此通常被用在穿戴式系統中,例如小型的腕戴式裝置。而且,不同於生物電位測量的是,這類技術可以只使用單一測試點來測量心率。例如ADI推出的ADPD174元件,就是一款專為這類應用而設計的光學子系統(圖1)。

20161215 ADI TA31P1 圖1:在單一6.5mm×2.8mm封裝中的光學子系統——ADPD174,瞄準穿戴式醫療裝置而設計

反射與傳輸

大多數人都很熟悉SPO2的測量,其方式通常是藉由夾在耳垂或手指夾上的裝置來進行。光線會穿透過身體的一部份,而在另一端則透過光電二極體測量接收到的訊號。利用此傳送技術,我們可測量到可被接收或無法被吸收的光量。就訊號性能與傳送功耗量而言,這種原理是最好的。然而,對於講求舒適性的穿戴式系統而言,傳輸測量的整合並非容易的事。因此,反射式量測相對上較普遍受到採用。在反射式光學系統中,光線被發送到組織的表面,其中一部份被紅血細胞所吸收,剩餘的光則被反射回組織表面,並由一個光感測器加以測量。在反射式系統中,接收訊號相對較微弱達60dB,因此我們必須從電氣和光學的角度,更小心仔細地觀察發射和接收訊號鏈。

電子和機械挑戰

在一次心跳期間,血液的流動與血量持續發生變化,因而造成接收到的反射光量發生散射現象。用於測量PPG訊號的光線,其波長會受到一些因素影響而有所改變——其中第一個因素就是測量的類型。在本文中,我們將僅侷限於心率及其相關變化的測量。對於這類型的測量,所需採用的波長不只取決於所要量測的身體位置,同時也須考慮到相對灌注位準(relative perfusion level)、組織的溫度以及組織的色調等。

一般來說,對於腕戴裝置而言,由於動脈並不是位於手腕的上方,因此必需從皮膚表面下方的靜脈和毛細血管來拾取脈動組成。在這類應用中,綠光能提供最好的接收。在我們身體上有足夠血液流動的地方,如上臂、太陽穴或耳道等,紅光或紅外線效果較佳,因為它能深層穿透組織——尤其是對於電池功率和尺寸始終是一個重要課題的穿戴式應用來說,紅光或IT LED可帶來更多的優點,因為這些光源元件需要的順向偏壓較低,而在使用鈕扣型電池的應用中,這些LED可以直接由電池電壓來驅動。

20161215 ADI TA31P2 圖2:各種LED所需的順向偏壓vs.LED電流

遺憾的是,綠光LED由於需要較高的順向偏壓,因而必須採用額外的升壓轉換器,但這對於系統的整體耗電流也帶來負面的影響。圖2顯示不同色彩的LED相對於電流所需的順向電壓。如果終究還是需要使用綠光LED,ADP2503降壓/升壓轉換器能在最低至2.3V的輸入電壓時,支援較高的LED順向電壓達5.5V(max)。

當我們權衡感測器位置與LED顏色等條件後,下一步就是要選擇最適合的光學解決方案。以類比前端來說,包括分離式建構或完全整合的多種選擇,而光感測器與LED也同樣有多種產品備選。為了將設計上的負擔降到最低,並縮短開發上市時間,ADI提供一款完全整合的光學子系統模組,可供反射式光學量測使用。這款產品編號為ADPD174的模組,內含光學測量所需的所有功能。圖3顯示此子系統模組的功能方塊圖,此模組的尺寸大小僅6.5mm x2.8mm,因此對於穿戴式系統而言非常具有吸引力。

此模組是由一個大型光電二極體、兩個綠色LED以及一個IR LED所組成。內建的混合訊號ASIC中包含一組類比訊號處理功能模組、SAR類型ADC、數位訊號處理功能模組、I2C通訊介面以及三個可自由編程設定的LED電流源。

此系統驅動LED發光,並使用1.2 mm2的光電二極體測量相對應的光回波訊號。為穿戴式裝置測量其PPG時,最大的挑戰在於克服像環境光和運動產生的人為因素等干擾。環境光可能大幅影響測量的結果;而抑制陽光並不難,但來自日光燈和省電燈泡中包含交流(AC)成份的特殊光線,則很難加以取消。

ADPD174光模組具有兩級的環境光抑制功能,也就是在光感測器和輸入放大器階段之後,整合帶通濾波器及其隨後的同步解調器,從而為環境光以及從直流(DC)到100 kHz的干擾提供同類產品中最佳的抑制表現。該ADC具有14位元的解析度和高達255個脈衝值,將其相加後可獲得20位元的測量結果。此外,還可藉由累加多個取樣,以實現高達27位元的額外解析度。ADPD174作業於兩個獨立的時隙之間——例如,測量兩個獨立的波長,並循序執行結果。在每個時隙期間,執行完整的訊號路徑,從LED刺激開始,接著是光訊號擷取與數據處理。

20161215 ADI TA31P3 圖3:ADPD174光學子系統的功能方塊圖

每個電流源能以高達250mA的電流驅動互連的LED,其創新的LED脈衝控制,則可維持較低的平均功耗,並顯著地節省系統的功耗和延長電池壽命。

這種LED驅動電路的優點在於它是動態且可即時擴展。有許多因素可能影響接收光訊號的訊號雜訊比(SNR),例如膚色或感測器與皮膚之間的毛髮,都可能影響接收端的靈敏度。因此,LED的激發可以非常容易地配置,以實現自適應系統。所有的時序(timing)和同步都可由類比前端進行處理,而無需佔用系統中微處理器的處理資源。在正常情況下,採用ADPD174能以約1mW級功耗執行可靠的心率監測。為了找出此工作點,首先可以調整轉阻放大器(TIA)的增益,同時設置最大LED峰值電流。在最佳化LED電流和TIA增益後,就可以增加LED脈衝的數量以獲得更多的訊號。值得注意的是,增加LED峰值電流,將會等比例地提高SNR;而將脈衝數量增加n倍,則僅有提高根號n (√n)倍SNR的效果。

要為心率裝置找出最佳設定,很大程度上也取決於使用者本身。使用者的膚色會對訊號的強度以及裝置的定位、溫度和血流量產生影響。為了計算功耗,可將光學前端視為兩個單獨的功耗源,分別是IADPD和ILED。IADPD是輸入放大器級、ADC和數位狀態機的消耗電流。這些功耗數值非常依賴於ADC的取樣率。LED電流ILED會隨著使用者的膚色和感測器在身體上的位置而改變。對於較暗的膚色,以及感測器所在位置的血流量非常少時,就會需要較多的LED電流。LED平均電流會隨著LED驅動脈衝寬度、脈衝數和ADC取樣時間而變化。平均LED電流等於LED最大電流乘上脈衝寬度和脈衝數的結果。這可被視為一個時隙,而且在每次新取樣時重複。脈衝寬度可能窄至1μs。

為了在手腕上有效進行心率測量,當使用兩個具有1μs寬度的脈衝時,需要大約125mA的LED峰值電流。對於100 Hz的取樣頻率而言,平均LED驅動需要25μA。當我們增加250μA的平均AFE電流時,光學前端的功耗為275μA(@ 3V =825μW)。

其他機械上的挑戰

前面我們已討論了在設計光學系統時,挑戰之一在於環境光干擾。但在反射式光學系統中,需要克服的另一個大挑戰是內部光污染(IPL)。在一款完美設計的系統中,來自LED的所有光都會被發送到組織中,而且只有反射光可被光感測器偵測到並加以測量。然而在現實生活中,LED光線會被外殼的透明窗反射,並直接被送回光感測器,而不至於穿透至組織中,即圖4中以綠色標示的光路。

20161215 ADI TA31P4 圖4:內部光污染的說明

這種ILP效應會造成DC偏置,並將限制訊號中的AC組成,也就是所謂的調變指數(MI)。但事實上,這一MI才是我們唯一感興趣的訊號。此ILP效應可以藉由隔離透明窗的方式加以解決,然而這在量產中是非常困難且成本高昂的。ADPD174是克服這一問題的解決方案之一。它具有特殊設計的外殼以減低ILP效應,而不需要在外殼上隔離透明窗。如圖5所示,ADPD174較其前代產品受ILP效應影響程度的改善,可作為LED電流的基準。這是此元件較市場上其他分離式或整合式元件的另一個好處。

20161215 ADI TA31P5 圖5:ADPD174與其前代產品受ILP影響的程度比較

系統總功耗

在光學系統中,除了光干擾因素之外,也必須消除運動的干擾。運動對於穿戴系統的整體性能具有影響,因為在運動時,機械連接或與組織的接觸狀態可能會改變,從而在光學讀值上造成誤差。因此,測量裝置的運動並針對其干擾進行補償至關重要。ADI的超低功耗三軸ADxL362 MEM感測器可完全支援這一需求。該感測器測量所有的三個軸,並擁有一個內建的12位元SAR ADC,從而使其LSB的大小為1mg,並且能夠透過數位SPI介面進行通訊。其功耗隨ADC取樣率而變化,當每軸的資料輸出率為100 Hz時,感測器僅消耗1.8μA。此元件採用3 mm×3 mm封裝,不過,目前正在開發中的新一代產品,其PCB佔位面積將只有ADxL362的四分之一。

尚未談到的系統核心!

截至目前為止,我們已經討論打造監測心率和心率變化的穿戴式保健裝置時,需要各種不同的感測器。但我們尚未觸及到系統的核心,也就是將所有的感測器連接在一起、執行所需的演算法軟體,以及儲存、可視化或傳送這些測量結果。ADI最近發佈的ADuCM3027 / ADuCM3029Cortex-M3處理器,就能夠支援這些需求。它是一款超低功耗、混合訊號型的微控制器,每MHz處理能力的相對功耗小於38μA。該處理器的最高時脈頻率為26MHz,並具有四種不同的功耗模式(表1)。

20161215 ADI TA31T1 表1:ADuCM3027/29的功耗模式

該混合訊號前端包括一個12位元的SAR ADC、參考緩衝器和溫度感測器。該元件內建128 kB或256 kB的快閃記憶體、4 kB快取記憶體和64 kB SRAM,並有妥善的措施保護裝置的內容不會被未經授權的用戶透過外部介面讀取。對於保護其程式碼和演算法的裝置製造商來說,這可說是一項重要的價值。最後,ADuCM302x可作業於1.8V到3.6V之間的單電壓範圍,其中的核心電壓為1.2V,可經由內建的LDO或其更高效能的開關電容式降壓轉換器來產生。

為了將測量結果無線上傳到主處理器,必須耗費大量的總系統功耗。因此,對於測量結果進行預處理,將有助於減少所需傳送的資料量,進而節省更多功耗。

讓保健裝置具有自學能力

從前面的討論可看出,ADI專注於開發感測器和混合訊號解決方案,並特別著重於提高性能和降低功耗。這些晶片和子系統能夠打造針對保健、運動以及健身市場的裝置,使其得以只靠單顆鈕扣電池即達到很長的作業時間。打造一款能以最低功耗提供性能夠好的系統,永遠都是一大挑戰。透過自適應演算法,將有助於提高整體性能,並為系統功耗找到最佳均衡點。此外,在每次使用裝置時,還可以透過微幅改變其設定,讓所使用的功耗量達到最佳的SNR性能以及相關的HRM準確度。