如何設(shè)計(jì)更好的脈搏血氧儀？

在本文中，我們將介紹設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，例如透射式與反射式、傳感器定位、灌注指數(shù)、運(yùn)動(dòng)偽影以及使用光學(xué) AFE 進(jìn)行設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。

透射與反射

可以使用透射或反射式 LED 和 PD 配置獲取 PPG 信號(hào)。透射配置測(cè)量穿過(guò)身體某個(gè)部位的未吸收光。這種配置最適合手指和耳垂等部位，因?yàn)檫@些部位的毛細(xì)血管密度有利于測(cè)量，這使得測(cè)量結(jié)果更穩(wěn)定、重復(fù)性更強(qiáng)，并且對(duì)放置位置的變化不太敏感。透射配置可使灌注指數(shù)增加 40 dB 至 60 dB。

當(dāng)為了實(shí)用而必須將 PD 和 LED 彼此相鄰放置時(shí)(例如腕戴式或胸戴式設(shè)備)，會(huì)選擇反射式 PPG 配置。

傳感器定位和灌注指數(shù)

由于動(dòng)脈深度低于皮膚、脂肪和骨骼等靜態(tài)反射成分，導(dǎo)致直流信號(hào)大大增加，因此將動(dòng)脈定位在手腕和胸部需要 PPG AFE 具有更大的動(dòng)態(tài)范圍。

PPG 測(cè)量的分辨率越高，SpO 2算法的不確定性就越小。腕戴式 SpO 2傳感器的典型 PI 為 1% 到 2% ，脈搏血氧儀設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)提高 PI，或者增加動(dòng)態(tài)范圍。

LED 與 PD 之間的間距對(duì) PI 有很大影響。間距太小會(huì)增加 LED 與 PD 之間的串?dāng)_或反向散射。這將顯示為直流信號(hào)并使 AFE 飽和。

增加該間距可減少反向散射和串?dāng)_的影響，但也會(huì)降低電流變壓器比 (CTR)，即 LED 輸出與 PD 返回電流之比。這將影響 PPG 系統(tǒng)的效率，并需要更大的 LED 功率來(lái)最大化 AFE 動(dòng)態(tài)范圍。

快速脈沖一個(gè)或多個(gè) LED 的好處是可以減少 1/f 噪聲對(duì)整體信號(hào)的貢獻(xiàn)。脈沖 LED 還可以在接收端使用同步調(diào)制來(lái)消除環(huán)境光干擾。集成多個(gè)脈沖可以增加 PD 信號(hào)幅度并降低平均電流消耗。增加總 PD 面積也會(huì)增加 CTR，因?yàn)榭梢圆东@更多的反射光。

對(duì)于心率 PPG 測(cè)量，許多 HR 設(shè)備制造商采用單個(gè)大型 PD 和多個(gè)節(jié)能綠色 LED 的組合，用于血流受限的地方。之所以選擇綠色 LED，是因?yàn)樗鼈儗?duì)運(yùn)動(dòng)偽影具有較高的抑制能力。然而，這是以功耗為代價(jià)的。綠色 LED 的正向電壓高于紅色和紅外線，并且在人體組織中吸光度較高，這意味著需要更高的 LED 功率才能返回有意義的心臟信息。

由于 SpO 2需要多種波長(zhǎng)，并且大多數(shù)系統(tǒng)仍為 HR PPG 采用高效綠色 LED，因此 HR 和 SpO 2 PPG 系統(tǒng)最常見(jiàn)的配置是單個(gè)綠色、紅色和紅外 LED 陣列，周圍環(huán)繞著多個(gè) PD。PD 到 LED 的間距已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以減少反向散射，而擋板設(shè)計(jì)則減少了 LED 到 PD 的串?dāng)_。

我們對(duì) ADI VSM 手表的多個(gè)原型進(jìn)行了試用，以驗(yàn)證對(duì)于我們的 HR PPG 和 SpO 2測(cè)量來(lái)說(shuō)最有效的 PD 到 LED 間距。

運(yùn)動(dòng)偽影

運(yùn)動(dòng)偽影是 PPG 測(cè)量系統(tǒng)面臨的最大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。當(dāng)有運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈和靜脈的寬度會(huì)因壓力而改變。光電二極管吸收的光量會(huì)發(fā)生變化，這在 PPG 信號(hào)中有所體現(xiàn)，因?yàn)楣庾拥奈栈蚍瓷浞绞脚c身體靜止時(shí)不同。

對(duì)于覆蓋無(wú)限長(zhǎng)深層組織樣本的無(wú)限寬光電二極管區(qū)域，所有光子最終都會(huì)反射到光電二極管。在這種情況下，不會(huì)檢測(cè)到因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的偽影。然而，這無(wú)法實(shí)現(xiàn);解決方案是增加光電二極管面積，同時(shí)考慮電容——降低 AFE 并為運(yùn)動(dòng)偽影提供濾波。

PPG 信號(hào)的正常頻率在 0.5 Hz 至 5 Hz 之間，而運(yùn)動(dòng)偽影通常在 0.01 Hz 至 10 Hz 之間。簡(jiǎn)單的帶通濾波技術(shù)不能用于從 PPG 信號(hào)中去除運(yùn)動(dòng)偽影。為了實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)消除，需要為自適應(yīng)濾波器提供高精度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。為此，Analog Devices 開(kāi)發(fā)了ADXL362 3 軸加速度計(jì)。該加速度計(jì)提供 1 m g分辨率，量程高達(dá) 8 g，在 100 Hz 時(shí)僅消耗 3.6 μW，采用 3 mm × 3 mm 封裝。

光學(xué) AFE

脈搏血氧儀的定位帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。腕戴式 SpO 2設(shè)備帶來(lái)了額外的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)楦信d趣的交流信號(hào)僅占 PD 上總接收光的 1% 到 2%。為了獲得醫(yī)療級(jí)認(rèn)證并區(qū)分氧合血紅蛋白水平的細(xì)微變化，需要更高的交流信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。這可以通過(guò)減少環(huán)境光干擾和降低 LED 驅(qū)動(dòng)器和 AFE 噪聲來(lái)實(shí)現(xiàn)。

增加動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于在低灌注情況下測(cè)量 SpO 2至關(guān)重要，而下一代光學(xué) AFE(如 ADI 公司的ADPD4100(和ADPD4101))可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 100 dB 的 SNR。這款集成光學(xué) AFE 具有八個(gè)板載低噪聲電流源和八個(gè)獨(dú)立的 PD 輸入。數(shù)字時(shí)序控制器具有 12 個(gè)可編程時(shí)隙，使用戶能夠使用特定的 LED 電流、模擬和數(shù)字濾波、集成選項(xiàng)和時(shí)序約束來(lái)定義 PD 和 LED 序列陣列。

提高 SNR/μW 是電池供電連續(xù)監(jiān)控的一個(gè)重要參數(shù)。這一關(guān)鍵指標(biāo)已通過(guò)增加 AFE 動(dòng)態(tài)范圍同時(shí)降低 AFE 電流消耗得到解決。例如，對(duì)于包括 LED 電源在內(nèi)的 75 dB、25 Hz 連續(xù) PPG 測(cè)量，ADPD4100 的總功耗僅為 30 μW。增加每個(gè)樣本的脈沖數(shù) (n) 將導(dǎo)致 SNR 增加 (√n)，而增加 LED 驅(qū)動(dòng)電流將使 SNR 成比例增加。對(duì)于使用 4 V LED 電源的連續(xù) PPG 測(cè)量，1 μW 總系統(tǒng)消耗將返回 93 dB SNR。

自動(dòng)環(huán)境光抑制功能可減輕主機(jī)微處理器的負(fù)擔(dān)，同時(shí)實(shí)現(xiàn) 60 dB 的光抑制。這是通過(guò)使用快至 1 μs 的 LED 脈沖與帶通濾波器結(jié)合來(lái)抑制干擾來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在某些工作模式下，ADPD4100 會(huì)自動(dòng)計(jì)算光電二極管暗電流或 LED 關(guān)閉狀態(tài)。在 ADC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換之前，會(huì)從 LED 開(kāi)啟狀態(tài)中減去此結(jié)果，以消除環(huán)境光以及光電二極管內(nèi)的增益誤差和漂移。

特定應(yīng)用的開(kāi)發(fā)工具進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。例如，ADPD4100 可由EVAL-ADPD4100-4101可穿戴評(píng)估套件和ADI 生命體征監(jiān)測(cè)研究手表支持。該硬件無(wú)縫連接到 ADI Wavetool 應(yīng)用程序，以實(shí)現(xiàn)生物阻抗、ECG、PPG 心率和多波長(zhǎng) PPG 測(cè)量，以進(jìn)行 SpO 2開(kāi)發(fā)。研究手表中嵌入了一種自動(dòng)增益控制 (AGC) 算法，該算法可調(diào)節(jié) TIA 增益和 LED 電流，從而為所有選定的 LED 波長(zhǎng)提供最佳的 AC 信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。

基于手指和耳垂的 SpO 2讀數(shù)是最容易設(shè)計(jì)的，因?yàn)橛捎诠趋篮徒M織的減少，其信噪比高于基于手腕或胸部的定位，這也降低了直流分量的貢獻(xiàn)。

對(duì)于此類應(yīng)用， ADPD144RI等光學(xué)傳感器模塊和ADPD1080等光度前端可幫助開(kāi)發(fā)人員快速克服與 LED 和 PD 放置和間距相關(guān)的設(shè)計(jì)難題，從而實(shí)現(xiàn)最佳功率噪聲比。這是因?yàn)楣鈱W(xué)傳感器在 2.8 mm × 5 mm 封裝中集成了紅色 660 nm LED、880 nm IR LED 和四個(gè) PD。LED 和 PD 之間的間距已優(yōu)化，可為 SpO 2高精度 PPG 測(cè)量提供最佳信噪比。該設(shè)備還經(jīng)過(guò)機(jī)械優(yōu)化，即使將傳感器放置在單個(gè)玻璃窗下，也能盡可能減少光學(xué)串?dāng)_。

ADPD1080 是一款集成光學(xué) AFE，具有三個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)通道和兩個(gè) PD 電流輸入通道，采用 17 球、2.5 mm × 1.4 mm WLLCSP 封裝。此 AFE 非常適合定制設(shè)計(jì)低通道數(shù) PPG 產(chǎn)品，因?yàn)殡娐钒蹇臻g至關(guān)重要。