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臨床級(jí)可穿戴遭遇電量危機(jī)?新型結(jié)構(gòu)傳感器IC了解下

發(fā)布時(shí)間:2022-06-20 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在健康和健身可穿戴設(shè)備的功能列表中,心率(HR)和血氧飽和度(SpO2)正迅速從“期待擁有”階段進(jìn)入“有望實(shí)現(xiàn)”階段。但是,這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致讀數(shù)質(zhì)量下降,這是因?yàn)橐恍﹤鞲衅髦圃焐淘诩庇跐M足市場對(duì)這些功能的需求時(shí),放松了其產(chǎn)品的讀數(shù)質(zhì)量,由此引發(fā)了人們對(duì)其產(chǎn)品準(zhǔn)確性的質(zhì)疑。


雖然在日常使用的可穿戴設(shè)備中,讀數(shù)準(zhǔn)確性可能不太關(guān)鍵,但在臨床級(jí)可穿戴設(shè)備中,測量結(jié)果的質(zhì)量和完整性必須無可置疑。設(shè)計(jì)人員面臨一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn):如何在進(jìn)行高質(zhì)量的HR和SpO2測量時(shí),不會(huì)消耗過多的設(shè)備電池電量?在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中,我們先展示為什么傳統(tǒng)的光學(xué)讀數(shù)方法會(huì)浪費(fèi)電能,然后介紹一種采用新型結(jié)構(gòu)的傳感器IC,它能執(zhí)行臨床級(jí)測量,同時(shí)大幅降低功耗。


光電容積脈搏波描記法(PPG)


我們使用一種光電技術(shù)來測量HR和SpO2,這種技術(shù)稱為光電容積脈搏波描記法或PPG(圖1)。通過使用發(fā)光二極管(LED)照射皮膚,并使用光電二極管(PD)產(chǎn)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(qiáng)度的變化(圖2)可獲得PPG信號(hào)。


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圖1. 使用腕戴式設(shè)備測量HR和SpO2。


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圖2. 使用LED和PD進(jìn)行PPG測量。


電流信號(hào)由PPG模擬前端(AFE)調(diào)節(jié),然后由ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以便系統(tǒng)微控制器上運(yùn)行的光學(xué)算法進(jìn)行處理。原則上,單對(duì)LED-PD就足以進(jìn)行PPG測量,這種結(jié)構(gòu)在臨床設(shè)備中很常見(圖3)。


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圖3. 在臨床環(huán)境中測量SpO2 和HR。


但是,這些設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境與日常生活中的環(huán)境完全不同。首先,患者保持不動(dòng),由夾在患者指尖的傳感器進(jìn)行測量。照明條件相對(duì)穩(wěn)定,這會(huì)簡化PD的光檢測,這些設(shè)備一般都由主電源供電,因而不用擔(dān)心功耗問題。


相比之下,可穿戴設(shè)備一般是戴在手腕上,這意味著,接觸皮膚的程度不同,一般取決于個(gè)人偏好(腕帶的松緊度)和佩戴者的動(dòng)作情況。每天隨著位置和時(shí)間變化,照明條件會(huì)發(fā)生很大變化,并且這些設(shè)備使用電池供電,因此必須使傳感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(zhàn)性。根據(jù)描述,深色皮膚的灌注指數(shù)比淺色皮膚低,這意味著要進(jìn)行測量,需要更大的照明強(qiáng)度(需要傳感器消耗更多功率)。接下來,我們看看用于進(jìn)行PPG測量的不同AFE結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。


具有單個(gè)ADC通道的PPG AFE


增加LED電流或使用兩個(gè)LED,是一種非常直觀的增加皮膚照射強(qiáng)度的方式(圖4),它會(huì)增加皮膚的照射面積。但是,這種方法非常耗電,因?yàn)長ED電流占到PPG系統(tǒng)總功耗的至少50%,根據(jù)佩戴者的皮膚灌注指數(shù),平均功耗可能達(dá)到1 mW??傮w而言,這種方法效率低下,且不利于電池壽命。


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圖4. 使用兩個(gè)LED來提高皮膚照射強(qiáng)度。


具有兩個(gè)ADC通道的PPG AFE


我們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(gè)PD的LED,可用于檢測更多的反射光(圖5)。


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圖5. 使用包含兩個(gè)PD的LED來改善光檢測。


其優(yōu)勢在于,與使用單個(gè)PD相比,標(biāo)準(zhǔn)的20 mA LED電流可降低到10 mA,從而實(shí)現(xiàn)相同水平的總PD電流。在具有挑戰(zhàn)性的工作條件下(低皮膚灌注和/或當(dāng)佩戴者移動(dòng)時(shí)),系統(tǒng)算法確定需要更高的LED電流,此時(shí)系統(tǒng)靈敏度也會(huì)成比例增加。例如,使用與之前相同的LED電流,提供的PD電流會(huì)是之前的兩倍,這會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的總體靈敏度,雖然功耗成本會(huì)增加。


具有四個(gè)ADC通道的PPG AFE


使用四個(gè)PD(需要一個(gè)四通道ADC)來檢測反射光可以節(jié)省更多功率(圖6),這是因?yàn)長ED可以更低功率運(yùn)行(表1)。


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圖6. 使用一個(gè)LED和四個(gè)PD進(jìn)行PPG測量。


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表1. 1通道、2通道和4通道ADC結(jié)構(gòu)的典型功耗比較


表1匯總列出之前考慮的各種結(jié)構(gòu)的相對(duì)功耗,假設(shè)典型電源電壓為1.6 V。


這種結(jié)構(gòu)提供更高質(zhì)量的讀數(shù),這是因?yàn)檠芎凸趋涝谑滞笊系姆植际遣粚?duì)稱的,但四個(gè)PD可以幫助消除運(yùn)動(dòng),以及設(shè)備佩戴松緊度帶來的影響。四個(gè)PD接收器也增大了檢測所照射血管反射光的幾率。圖7中的圖表顯示使用4個(gè)光電二極管(配置為獨(dú)立的兩對(duì):LEDC1和LEDC2)測量的HR與參考測量值(polar)之間的對(duì)比。可穿戴設(shè)備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)之后開始鍛煉,導(dǎo)致其HR開始上升。很明顯,LEDC1和LEDC2上的信號(hào)與參考測量值的偏差程度不同,所以,使用兩對(duì)PD來捕捉信號(hào)并綜合考慮所有這些偏差是有益的。


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圖7. 使用兩對(duì)獨(dú)立PD時(shí)獲得的HR讀數(shù)。


實(shí)用的四通道ADC解決方案


MAX86177 (圖8)是一款超低功耗的四通道光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),具有發(fā)射和接收通道,非常適合用于臨床級(jí)(以及通用)便攜式和可穿戴設(shè)備。其發(fā)射端集成兩個(gè)高電流8位可編程LED驅(qū)動(dòng)器,支持多達(dá)6個(gè)LED。接收端集成4個(gè)低噪聲電荷積分前端,每個(gè)前端包含一個(gè)獨(dú)立的20位ADC,可以多路復(fù)用來自8個(gè)PD(配置為四個(gè)獨(dú)立對(duì))的輸入信號(hào)。它實(shí)現(xiàn)了118 dB的動(dòng)態(tài)范圍,在120 Hz下提供高達(dá)90 dB的環(huán)境光消除(ALC)。主電源電壓為1.8 V,LED驅(qū)動(dòng)電源電壓為3.1 V至5.5 V。該設(shè)備為I2C和SPI兼容接口提供完全自主支持。MAX86177采用2.83 mm × 1.89 mm、28引腳(7 × 4)晶圓級(jí)封裝(WLP),工作溫度范圍為–40°C至+85°C。該AFE的實(shí)驗(yàn)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(jí)監(jiān)護(hù)儀設(shè)定的3.5%限制范圍內(nèi)。


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圖8. MAX86177四通道光學(xué)AFE的框圖。


結(jié)論


臨床級(jí)可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn),就是如何在不顯著消耗設(shè)備電池壽命的情況下進(jìn)行光學(xué)PPG測量,獲取HR和SpO2數(shù)值。在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中,可以看出,與使用單個(gè)LED和PD的基本結(jié)構(gòu)相比,四通道ADC結(jié)構(gòu)可以節(jié)省高達(dá)60%的功率。MAX86177的四通道結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)小型封裝中,非常適合用于手指、手腕和耳戴式可穿戴設(shè)備,進(jìn)行臨床級(jí)HR和SpO2測量。它也可用于測量身體水分含量、肌肉和組織的氧飽和度(SmO2和StO2),以及最大耗氧量(VO2最大值)。



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