需透過穿戴式裝置提供臨床級PPG?

作者 : Andrew Burt,ADI執行業務經理

雖然在日常使用的穿戴式裝置中,讀數準確性可能不太關鍵,但在臨床級穿戴式裝置中,測量結果的品質和完整性必須無可置疑。

在健康和健身穿戴式裝置的功能清單中,心率(HR)和血氧飽和度(SpO2)正迅速從「期待擁有」階段進入「可望實現」階段。但是,這種轉變導致讀數品質下降,這是因為一些感測器製造商在急於滿足市場對這些功能的需求時,放寬其產品的讀數品質,由此引發人們對其產品準確性的質疑。

雖然在日常使用的穿戴式裝置中,讀數準確性可能不太關鍵,但在臨床級穿戴式裝置中,測量結果的品質和完整性必須無可置疑。設計人員面臨一個關鍵挑戰:如何在進行高品質的HR和SpO2測量時,不會消耗過多的裝置電池電量?在這個設計解決方案中,先展示為什麼傳統的光學讀數方法會浪費電能,然後介紹一種採用新型結構的感測器IC,其能執行臨床級測量,同時大幅降低功耗。

光體積變化描記圖法(PPG)

使用光電技術來測量HR和SpO2的技術稱為光體積變化描記圖法或Photoplethysmography (PPG,圖1)。透過以發光二極體(LED)照射皮膚,並使用光電二極體(PD)產生與接收到的光量成比例的電流,檢測從表面以下血管反射的光強度的變化(圖2),便可獲得PPG訊號。

 

圖1:使用腕戴式裝置測量HR和SpO2

 

圖2:使用LED和PD進行PPG測量。

 

電流訊號由PPG類比前端(AFE)調節,然後由ADC進行轉換,以便系統微控制器(MCU)上運作的光學演算法進行處理。原則上,單對LED-PD就足以進行PPG測量,此種結構在臨床裝置中很常見(圖3)。

 

圖3:在臨床環境中測量SpO2和HR。

 

但是,這些裝置的運作環境與日常生活中的環境完全不同。首先,患者保持不動,由夾在患者指尖的感測器進行測量。照明條件相對穩定,這會簡化PD的光檢測,這些裝置一般都由主電源供電,因而不用擔心功耗問題。

相較之下,穿戴式裝置一般是戴在手腕上,表示接觸皮膚的程度不同,一般取決於個人偏好(腕帶的鬆緊度)和佩戴者的動作情況。每天隨著位置和時間變化,照明條件會發生很大變化,並且這些裝置使用電池供電,因此必須使感測器的電流消耗盡可能低。此外,不同的佩戴者具有不同的膚色,這使問題變得更具挑戰性。根據描述,深色皮膚的灌注指數比淺色皮膚低,表示要進行測量,需要更大的照明強度(需要感測器消耗更多功率)。接下來,來看看用於進行PPG測量的不同AFE結構的優點。

具有單個ADC通道的PPG AFE

增加LED電流或使用兩個LED,是一種非常直覺的增加皮膚照射強度的方式(圖4)其會增加皮膚的照射面積。但是,這種方法非常耗電,因為LED電流佔PPG系統總功耗至少50%,根據佩戴者的皮膚灌注指數,平均功耗可能達到1 mW。總體而言,此方法效率低下,且不利於電池壽命。

 

圖4:使用兩個LED來提高皮膚照射強度。

 

具有兩個ADC通道的PPG AFE

可以使用一種更好的方法來增加皮膚照射量,即使用包含兩個PD的LED,可用於檢測更多的反射光(圖5)。

 

圖5:使用包含兩個PD的LED來改善光檢測。

 

相較於使用單個PD,其優勢在於標準的20mA LED電流可降至10mA,進而實現相同水準的總PD電流。在具有挑戰性的工作條件下(低皮膚灌注和/或當佩戴者移動時),系統演算法確定需要更高的LED電流,此時系統靈敏度也會成比例增加。例如,使用與之前相同的LED電流,提供的PD電流將會是之前的兩倍,而這將達到更高的總體靈敏度,雖然功耗成本會增加。

具有四個ADC通道的PPG AFE

使用四個PD (需要一個四通道ADC)來檢測反射光可以節省更多功率(圖6),這是因為LED可以更低功率運作(表1)。

 

圖6:使用一個LED和四個PD進行PPG測量。

 

表1:1通道、2通道和4通道ADC結構的典型功耗比較。

 

表1匯總列出之前考慮的各種結構的相對功耗,假設典型電源電壓為1.6V。此結構提供更高品質的讀數,這是因為血管和骨骼在手腕上的分佈不對稱,但四個PD可協助消除運動,以及裝置佩戴鬆緊度帶來的影響。四個PD接收器也增加了檢測所照射血管反射光的機率。圖7中的圖表顯示使用4個光電二極體(配置為獨立的兩對:LEDC1和LEDC2)測量的HR與參考測量值(polar)之間的比較。穿戴式裝置需要確保在測量過程中保持良好的皮膚接觸。最初,佩戴者先休息,5分鐘(300秒)之後開始鍛煉,導致其HR開始上升。很明顯,LEDC1和LEDC2上的訊號與參考測量值的偏差程度不同,所以,使用兩對PD來擷取訊號並綜合考慮所有這些偏差是有益的。

 

圖7:使用兩對獨立PD時獲得的HR讀數。

 

實用的四通道ADC解決方案

MAX86177為一款超低功耗的四通道光學資料擷取系統(圖8),具有發射和接收通道,非常適合用於臨床級(以及通用)可攜式和穿戴式裝置。其發射端整合兩個高電流8位元可編程LED驅動器,支援多達6個LED。接收端整合4個低雜訊電荷積分前端,每個前端包含一個獨立的20位元ADC,可以多工來自8個PD (配置為四對獨立)的輸入訊號。其實現了118dB的動態範圍,在120Hz下提供高達90dB的環境光消除(ALC)。主電源電壓為1.8V,LED驅動電源電壓為3.1V~5.5V。該裝置為I2C和SPI相容介面提供完全自主支援,採用2.83mm × 1.89mm、28接腳(7 × 4)晶圓級封裝(WLP),工作溫度範圍為-40~+85℃。該AFE的實驗室測試樣本顯示缺氧測量的總均方根誤差為3.12%,在FDA為臨床級監護儀設定的3.5%限制範圍內。

 

圖8:MAX86177四通道光學AFE的框架圖。

 

結論

臨床級穿戴式裝置設計人員面臨的主要挑戰,就是如何在不明顯消耗裝置電池壽命的情況下進行光學PPG測量,擷取HR和SpO2數值。在這個設計解決方案中,可以看出相較於使用單個LED和PD的基本結構,四通道ADC結構可節省高達60%的功率。MAX86177的四通道結構整合在一個小型封裝中,適合用於手指、手腕和耳戴式穿戴式裝置,進行臨床級HR和SpO2測量。此外其也適用於測量身體水分含量、肌肉和組織的氧飽和度(SmO2和StO2),以及最大耗氧量(VO2最大值)。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌20229月號

 

 

 

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