整合光學子系統打造性能毫無妥協的設計

作者 : János Pálhalmi, Jan-Hein Broeders

完全整合的光模組由於將光元件與電子元件整合於一個微型封裝中,有助於本身不具備光學知識的設計人員與廠商縮短整體設計週期。另一方面,這也證明了整合系統不僅不會侷限我們的能力,而且還能針對醫院以外或臨床系統的各種使用情境開發符合規格要求的設計。

「光體積變化描記圖法」(PPG)是測量血液中血氧飽和度(SPO2)的一種常用技術。發光元件向身體發射光線,之後再用光接收元件測量身體反射或吸收多少光。根據發射與接收這兩種光的波長比值,即可推算出氧合血紅素。目前,業界還會利用其他類似技術搭配光學技術來測量心率或心率變異度(HRV)。

上述這些系統都需要一或多個必須妥善控制的光電發射器(photoemitter),以及一個光偵測器(photodetector),針對接收到的光測量其中的光流量。接收到訊號最後還必須經過放大、調節以及數位化等步驟。這樣的光學系統聽起來簡單明瞭,但若缺乏一定的光學知識,很容易遇到的情況是空有光訊號,但卻不知道如何從這些訊號找到使用者需要的資訊。

為了協助企業達成所需的光應用目標,業界推出了高效能的整合式光模組,不僅經過測試可行,並可媲美成熟的離散式光系統。

PPG測量法的理論與簡介

隨著家庭衛生、保健與預防日益受到重視,逐漸催生了一個新興的市場——越來越多的廠商投入開發各種可追蹤多種生命徵象參數的智慧裝置。最初推出的產品是利用生物電位技術監測心率的胸帶,而在最近的5至8年,開始大幅轉向採用PPG的光系統。這項技術的一大優勢是只需在身體的一個位置即可進行測量,而生物電位系統則至少需要兩個電極才能測量心率,操作上較不方便。另一方面,基於PPG的光系統簡單易用,也使得光心率監測(HRM)以及HRV等應用的吸引力大幅提升。

設計這樣的系統時還必須考量其他問題。最終應用是什麼?要測量身體的哪個位置?有多少時間可以用來開發系統?研發業者可以根據這些問題的答案選擇適合的設計途徑。

目前測量PPG根據兩種不同的原理。其中一種是發出光線穿透身體部位,像是手指或耳垂,然後在背面測量接收或被吸收的光;另一種則是發送端與接收端都位於身體的同一側,接收端測量的是反射回來的光線。測量穿透身體部位的光線,其強度大約比反射式系統接收到的光線高出40dB到60dB;但反射式系統的優點在於可以自由選擇安排感測器的位置。

Classical block diagram of an optical HRM/HRV system

圖1:HRM/HRV光系統的典型模組圖。

由於大多數使用者對於感測器更看重的是配戴的舒適度而非效能,因此反射式測量法變得更受歡迎。因此,本文僅就反射式測量法進行探討。

在心跳過程中,流經心血管系統的血液流量與體積會產生變化,導致接收到的反射光量出現散射。用來測量HRM/HRV的光源波長不只是和測量的身體部位有關,還和相對灌流量(perfusion level)以及皮下組織的溫度與色調有關。一般來說,這類裝置會戴在手腕,但由於手腕上方沒有動脈,因此必須透過表皮下的靜脈與微血管來測量心搏。在這種情況下,使用綠色光源能得到最好的結果。另外,在上臂、太陽穴或耳道等擁有足夠血液流動的位置,紅光或紅外線(IR)比較能夠穿透到皮下組織深處,接收到的訊號強度較佳。

光學子系統扭轉局面

在考慮感測器位置以及LED波長等權衡因素時,必須挑選最適合的光解決方案。目前針對類比前端元件有許多選擇,包括離散式以及整合式元件,此外,市面上的光偵測器與LED元件也有眾多產品可供挑選。關鍵在於發送器與接收器必須擺放在適當位置,藉以讓發送訊號所消耗的每一毫安培(mA)得到最大強度的接收訊號。這兩者的比例稱為電流傳輸比,單位為nA/Ma。光系統的另一個重要參數為調變指數,它代表的是交流(AC)訊號和光直流(DC)偏移之間的關係。增加光偵測器與LED之間的距離就能改善調變指數。在光偵測器與LED之間的距離存在一個甜蜜點,而這個甜蜜點的位置取決於LED的波長。在設計不良的機械系統中,LED光會直接照到光偵測器,而不會穿透皮下組織,結果會導致DC偏移,進而對調變指數產生負面影響。顯現在外的表徵就是光的串擾,亦稱為內部光害(ILP)。

為了儘可能精簡設計工作讓產品更快上市,尤其是不熟悉光領域的設計者,ADI針對反射式測量開發一款完全整合的光學子系統,包含執行光測量所需的所有元件,如圖2所示。

ADPD188GG optical subsystem

圖2:ADPD188GG 光學子系統。

全新的光模組ADPD188GG採用與前一代不同的尺寸規格——3.98mm x 5.0mm,整體厚度為0.9mm,外形接近正方型。最大的改進之處在於其光偵測器,其位置和前一代相較約翻轉了90度。若以和LED的相對位置來看,這款感測器的位置提供了更好的靈敏度。光偵測器本身分成0.4mm2 和0.8mm2兩部份。這樣的設計提供了充裕的彈性,可選擇增加整體光電二極體的表面積,以提高靈敏度,或採用較小尺寸的偵測器,以防止感測器飽和。

光電二極體置於類比前端(AFE)元件之上,可選擇採用獨立型ADPD1080。這款AFE元件擁有4個輸入通道,每個通道銜接一個具有可選擇增益(25k、50k、100k、200k)的轉阻抗放大器、一個環境光抑制模組以及一個14位元SAR ADC轉換器。

最後,系統中兩個由整合電流源控制的綠光LED能將電流驅動到370mA,脈衝寬度僅1微秒(us),而使整體平均電流得以降低。精心設計的封裝更有助於讓發出的LED光穿透皮下組織,然後被光感測器接收,如此一來不僅防止光串擾,即使當感測器位於玻璃或塑膠窗底下仍能為使用者提供最佳的調變指數。對於設計光反射式系統來說,這的確是一項極佳的特色。對於偏好透射式測量法的應用,ADPD188GG還可搭配外部連結LED,並繞過內建LED光源進行測量。

媲美於經認證的解決方案

在開發新的光學設計之前,必須先決定目標市場,以及最終產品要求的規格。一般而言,具備醫療級效能的光系統規格要求高於一般針對運動與保健市場的裝置。

針對離散光系統而設計的ADPD107被視為AFE光元件的黃金標準,由於具備優異效能,因而也被用在許多醫療產品中,例如DataSenseLabs。然而,由於全整合光模組在某些使用情境也具有優勢,因而引發對於ADPD107與ADPD188GG整合光模組元件的比較分析。接下來將討論其測試設定、組態以及結果。

測試設定與資料收集

針對光的比較,同時採用ADPD188GG 與ADPD107並持續記錄2分鐘的未處理PPG讀數。在ADPD188GG的設定中,採用的是標準評估板,而ADPD107則安裝在穿戴式展示平台(EVAL-HCRWATCH)的光學系統中。兩套系統都由ADI的使用者介面軟體wavetool加以控制。

為了方便測試,特別對於組態設定進行最佳化,以便達到最高的訊號品質。我們保留了AFE的組態,包括LED脈衝、時序以及特定範圍內的轉阻抗增益,藉由讓兩種系統達到相同的功耗,以便公平地進行比較(參見表1)。

1ADPD188GG與黃金標準ADPD107光模組比較。

表1 顯示ADPD188GG LED的電流,強度是在ADPD107設定中LED電流的2倍。原因是整合式解決方案的光電二極體表面小於離散解決方案的表面,因此我們必須加以補償。採用兩個以3V電壓驅動的LED,使整體功率消耗增加156uW,但這比起總功耗算是小到幾乎可忽略不計。我們以100Hz的頻率對ADC進行取樣——這一頻率在穿戴式系統中相當常見。此外,再以500Hz的取樣率進行測量,這也是許多具備臨床級效能的系統經常會採用的取樣率。

資料的記錄採用和一般智慧手錶或健身追蹤裝置相同的過程,採用安裝在腕帶上方的光感測器執行測量。由於在慣用手和非慣用手表皮下層之間的微血管循環和血管收縮屬性存在些微的差異,因此會用左右兩隻手腕上的光學系統重複測量讀數。左右兩手手腕收集到的資料集經過分析與比較,以避免位置產生的干擾影響到訊號品質。在相同的環境光強度條件下,針對11個坐著的不同使用者(對象)進行PPG資料集的記錄。

資料分析與統計

採取比較的策略相當重要,因為訊號品質的驗證不僅意謂著硬科學的訊號處理、資料分析和統計,更牽涉到市場與終端使用者所期待的功能。想要在穿戴裝置市場佔一席之地,需要定義明確的使用情境,以及打算從光訊號中取得什麼結果的明確目標。

光學心率監測器與健身追蹤與健康監測應用密切相關,但光學技術也可在醫療級系統中發掘更多使用情境。在健身、健康記錄以及醫療相關的使用情境中,峰值偵測演算法的精準度主要取決於涉及PPG訊號局部最大值的原始資料品質。精準的峰值偵測不僅是心率或HRV測量的重點,對於PPG式的血壓推估偵測而言也至關重要。因此,倘若最終擷取與計算出的PPG訊號必須用來支援健康相關應用,設計人員應該選用可提供最佳實體訊號品質的感測器平台。比較式測量組態以及資料分析,都是專為用於執行János Pálhalmi所持有的Biosignal Metrology專利(申請中專利ID: P1900302)而設計的。

最終結果

為了支援峰值偵測演算法,我們可先去除並過濾掉PPG原始資料內的基準線波動。同時,在原始資料中波峰附近的高品質訊號需要保留,才能擷取出上述的目標結果。因此在這項研究中,我們採用黃金標準ADPD107以及ADPD188GG整合光模組測量PPG訊號,並聚焦於PPG訊號峰值附近的主要頻段。這些訊號的主要元素並未被修改,僅過濾掉緩慢的基準線波動(<0.25Hz)以及高頻率元素 (>40Hz)。

計算小波同調(Wavelet coherence)與相關的比較,目的在於比較最主要頻率範圍內兩個訊號的穩定度。圖3顯示兩個PPG系統在個別波形的結果及其優點都存在幾乎相同的模式。

 Individual PPG waveforms were extracted and plotted on top of each other

Figure 3b

3擷取出個別的PPG波形(局部最大值約±125個資料點)並重疊標記在座標點上(藍色虛線)。紅線代表的是波形的彙整平均值。圖中的資料顯示ADPD188GGADPD107離散解決方案記錄的PPG訊號有著根本的相似性。

為了繼續更深入地比較資料,這裡採用了兩種不同的關聯法。對於每個流入的PPG波計算相關係數以及P值(R, P),然後再套用另一種方法。此外並比較每個PPG波形與平均值,藉以測試不同種類的訊號變異度。

根據詳盡的關聯測試,我們能斷定兩個進行比較的PPG系統無法觀察到任何顯著差異,無論是個別波形還是個別波形與平均值之間的比較。

小波方法對於特定頻段的差異相當靈敏。為此,我們計算小波同調函式,以比較兩個PPG訊號。根據對於所有11個對象的分析結果,在兩個訊號的頻域和相域中都並未觀察到顯著差異(如圖4所示)。

The magnitude squared coherence between the ensembled averages of the two compared PPG signals

 

4兩個PPG訊號系集平均值之間的振幅方波同調性如圖中時域與頻域的標色強度圖所示。箭頭方向和兩個訊號的相位差成比例。水平朝右代表訊號之間沒有相位差。

在開發新產品時,專注於特定頻段也很有幫助,可以從特定訊號中擷取出該頻段,進而最佳化相關規格。

在這項測試中,針對兩個PPG系統之間振幅方波同調性的基本統計特性,在所有相關頻率範圍內進行分析,如圖5所示。整個頻譜分成6個特定頻率範圍,藉以分析訊號之間相似點的變異。

在PPG訊號峰值附近的所有頻段內,這11個對象的同調值均高於0.95,這告訴我們黃金標準元件和ADPD188GG整合元件之間存在極高的相似度。

 Descriptive statistical properties of the magnitude squared wavelet coherence values

 Descriptive statistical properties of the magnitude squared wavelet coherence values

5振幅方波小波同調值的統計屬性,顯示於從0Hz20Hz 4個相關頻率範圍。

總結

完全整合的光模組由於將光元件與電子元件整合於一個微型封裝中,有助於本身不具備光學知識的設計人員與廠商縮短整體設計週期。例如,ADPD188GG鎖定測量心率/HRV/血氧濃度等應用,並可用於估測連續血壓。這款模組針對採用525nm波長的反射式測量法等應用進行最佳化;有些應用也可以採用不同波長的LED光源或是穿透式測量方法。這也證明了整合系統不僅不會侷限我們的能力,而且還能針對醫院以外或臨床系統的各種使用情境開發符合規格要求的設計。

— 本文作者:

  • János Pálhalmi, DataSenseLabs執行長
  • Jan-Hein Broeders, ADI業務開發經理

(本文由ADI供稿並同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年5月號)

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