光電容積脈搏波(PPG)是測(cè)量血氧飽和度(SPO2)水平的常用技術(shù),。使用光發(fā)射器向人體發(fā)射光，然后使用光接收器測(cè)量反射或未吸收的光的數(shù)量,。根據(jù)兩段波長的比值,，可以測(cè)量氧合血紅蛋白的數(shù)量。類似技術(shù)也被用于測(cè)量心率（結(jié)合光學(xué)技術(shù)）或心率變異性,。

所有這些系統(tǒng)都需要使用一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射器（需要控制）,，以及一個(gè)光電探測(cè)器來測(cè)量光電流量，由此測(cè)量接收到的光量,。這個(gè)接收信號(hào)最終需要放大,、調(diào)節(jié)，并數(shù)字化,。聽起來這種光學(xué)系統(tǒng)似乎非常簡單,；但是，在缺少光學(xué)知識(shí)的情況下,，很容易檢索到與用戶尋找的信號(hào)毫不相關(guān)的光學(xué)信號(hào),。

為了幫助公司達(dá)成光學(xué)目標(biāo)，我們新推出了一款全集成式光學(xué)模塊,。該模塊經(jīng)過測(cè)試并與成熟的分立式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比,，結(jié)果相當(dāng)出色。我們將詳細(xì)介紹本次測(cè)試的結(jié)果和所用方法,。

PPG測(cè)量理論和介紹

隨著對(duì)家庭健康,、保健和預(yù)防的關(guān)注提高,，圍繞智能設(shè)備形成了一個(gè)新的市場(chǎng)，用于跟蹤多項(xiàng)生命體征參數(shù),。首先是胸帶,，該設(shè)備使用生物電勢(shì)技術(shù)來監(jiān)測(cè)心率，但最近的5到8年,，市場(chǎng)普遍轉(zhuǎn)向光學(xué)系統(tǒng),，開始利用光電容積脈搏波(PPG)。這項(xiàng)技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)是我們可以在人體上取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,，而生物電勢(shì)系統(tǒng)最少需要使用兩個(gè)電極才能對(duì)心臟實(shí)施測(cè)量,。對(duì)用戶而言，這不是很方便,，因此,，對(duì)光學(xué)心率監(jiān)測(cè)(HRM)和心率變異性(HRV)監(jiān)測(cè)的關(guān)注急劇增加。

在設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)之前,，需要先搞清楚幾個(gè)問題,。最終應(yīng)用是什么？您想要在人體的哪個(gè)部位實(shí)施測(cè)量,？您有多少時(shí)間來開發(fā)系統(tǒng),？根據(jù)這些問題的答案，設(shè)計(jì)人員可能采用不同的設(shè)計(jì)路徑,。

測(cè)量PPG采用兩種不同的原則,。您可以讓光通過身體的某個(gè)部位，例如手指或耳垂,，然后在反面測(cè)量接收到或未吸收的光量,；或者，在身體的同一側(cè)發(fā)射光并測(cè)量反射的光量,。與反射系統(tǒng)相比,，測(cè)量通過人體的光量得出的信號(hào)量大約多出40 dB至60 dB；但是,，采用反射系統(tǒng)時(shí),，您可以隨意選擇放置傳感器的位置。

圖1.光學(xué)HRM/HRV系統(tǒng)的典型框圖

由于大部分用戶更重視傳感器舒適度,，而不是性能,，所以反射測(cè)量方法更受歡迎。所以,，本文只介紹反射測(cè)量技術(shù),。

心臟跳動(dòng)期間，心臟系統(tǒng)中的血流量發(fā)生變化,，導(dǎo)致接收到的反射光發(fā)生散射,。用于測(cè)量光學(xué)HRM/HRV的光源的波長不止取決于人體測(cè)量點(diǎn),，還取決于相對(duì)灌注水平，以及組織的溫度和色調(diào),。一般,，對(duì)于腕戴式設(shè)備，動(dòng)脈不位于手腕頂端,，您需要從皮膚表層下的靜脈和毛細(xì)血管來檢測(cè)脈動(dòng)分量,。在這種情況下，綠色光表示最佳結(jié)果,。在有足夠血液流動(dòng)的位置,，例如上臂、太陽穴或耳道,，使用紅色光或紅外光可能更有效,，它們可以更深入地穿透組織,，給出更強(qiáng)勁的接收信號(hào),。

ADPD188 游戲規(guī)則正在改變？

在權(quán)衡考慮時(shí),，如傳感器位置和LED波長,，您需要選擇最合適的光學(xué)解決方案。關(guān)于模擬前端有很多選擇,，可以選擇分立式或全集成式,，也提供大量光電探測(cè)器和LED可供選擇。關(guān)鍵在于發(fā)射器和接收器的放置方式有利于每毫安發(fā)射電流獲取最大量的接收信號(hào),。這就是所謂的電流傳輸比,，通常用nA/mA表示。在光學(xué)系統(tǒng)中,，調(diào)制指數(shù)同樣重要,，它是交流信號(hào)相對(duì)于光學(xué)直流偏置的量。增大光傳感器和LED之間的距離時(shí),，調(diào)制指數(shù)增大,。在光電探測(cè)器和LED之間存在一個(gè)最佳點(diǎn)，這也取決于LED波長,。在設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)臋C(jī)械系統(tǒng)中,，LED光可以不穿透人體組織，直接到達(dá)光傳感器,。這會(huì)導(dǎo)致直流偏置,，對(duì)調(diào)制指數(shù)產(chǎn)生不利影響。它表現(xiàn)為光串?dāng)_,，也稱為內(nèi)部光污染(ILP),。

為最大程度減輕設(shè)計(jì)工作量并縮短上市時(shí)間,，特別是對(duì)于缺乏光學(xué)知識(shí)的公司，ADI公司構(gòu)建了全集成式光學(xué)子系統(tǒng),，用于反射測(cè)量,。即ADPD188GG，內(nèi)含進(jìn)行光學(xué)測(cè)量所需的全部器件,。圖2所示為此模塊的照片,。

圖2.ADPD188GG光學(xué)子系統(tǒng)

ADPD188GG是一種全新設(shè)計(jì)的光學(xué)模塊,，與前代模塊相比尺寸不同,。其外形幾乎呈方形，尺寸為3.98 mm x 5.0 mm,，總體厚度為0.9 mm,。改動(dòng)最大的部分是光電探測(cè)器，與前代產(chǎn)品相比,，方向旋轉(zhuǎn)了90°,。相對(duì)于LED，這種傳感器位置可以提供更高的靈敏度,。光傳感器本身分為0.4 mm2和0.8 mm2,。這提供了靈活性，可以增加整體光二極管表面,，以實(shí)現(xiàn)更高靈敏度,，或者可以使用更小巧的檢測(cè)器來防止傳感器達(dá)到飽和。光電二極管被放置在模擬前端上面,。ADI正在使用獨(dú)立的ADPD1080AFE,。它有4個(gè)輸入通道，每個(gè)通道都圍繞具備可選增益（25k,、50k,、100k和200k）的互阻放大器、環(huán)境光抑制塊和一個(gè)14位SAR ADC設(shè)計(jì),。環(huán)境光抑制在模擬域完成,，相比市面上的其他解決方案，性能更為出色,。最后,，兩個(gè)綠色LED受集成電流源管控，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)370 mA的電流和1 μs窄脈沖,，以降低總體的平均電流,。封裝設(shè)計(jì)使得發(fā)射的LED光在不穿透人體組織的情況下，很難到達(dá)光傳感器。這可以防止出現(xiàn)光串?dāng)_,，為用戶提供最佳調(diào)制指數(shù),，即使傳感器放置在玻璃或塑料窗口之下。設(shè)計(jì)光學(xué)反射系統(tǒng)時(shí),，這個(gè)特性非常有用,。對(duì)于更適合采用發(fā)射測(cè)量的應(yīng)用，ADPD188GG可以繞過內(nèi)部LED,，與外部連接的LED配合使用,。

與成熟解決方案比較

在開始新光學(xué)設(shè)計(jì)之前，需要先確定目標(biāo)市場(chǎng),，以及最終產(chǎn)品所需的規(guī)格,，這非常重要。一般來說,，相對(duì)于用于體育和保健市場(chǎng)的設(shè)備,，具有醫(yī)療級(jí)性能的光學(xué)系統(tǒng)規(guī)格更高。

ADPD107是一種模擬光學(xué)前端,，適用于分立式光學(xué)系統(tǒng),。在市面光學(xué)前端中,，它被視為典范產(chǎn)品,，憑借出色性能廣泛用于多種醫(yī)療產(chǎn)品中,。DataSenseLabs Ltd.具備與ADPD107相關(guān)的豐富經(jīng)驗(yàn),。但是,，由于全集成式光學(xué)模塊在某些用例中具備一定優(yōu)勢(shì),，所以DataSenseLabs Ltd.開始研究這些模塊并進(jìn)行比較分析,，比較ADPD107與ADPD188GG集成光學(xué)模塊之間的性能,。接下來,，我們將詳細(xì)介紹測(cè)試設(shè)置,、配置和測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試設(shè)置和數(shù)據(jù)收集

為了實(shí)施光學(xué)比較,，我們?cè)?分鐘時(shí)間里，同時(shí)記錄ADPD188GG和ADPD107的原始PPG讀數(shù),。設(shè)置ADPD188GG時(shí),，使用了標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估板，而ADPD107是可穿戴演示平臺(tái)(EVAL-HCRWATCH)內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)的組成部分,。兩種系統(tǒng)都由ADI公司的用戶界面應(yīng)用wavetool軟件控制,。

為了實(shí)施測(cè)試,，對(duì)配置設(shè)置實(shí)施優(yōu)化，以獲得最高的信號(hào)質(zhì)量,。我們保留了AFE配置,，包括將LED脈沖、時(shí)序和互阻增益保持在特定范圍,，令兩種系統(tǒng)保持相同的功耗,，以進(jìn)行公平的比較（參見表1）。

表1.ADPD188GG和典范產(chǎn)品ADPD107之間的光學(xué)模塊比較

表1顯示ADPD188GG LED電流,，其數(shù)量高達(dá)ADPD107設(shè)置中LED電流的2倍,。原因在于，集成解決方案的光電二極管表面小于分立式解決方案的表面,，必須進(jìn)行補(bǔ)償,。采用兩個(gè)由3 V電源供電的LED會(huì)令整體功耗增加156 μW，與整體功耗相比,，幾乎可以忽略不計(jì),。我們按100 Hz速率對(duì)ADC采樣,，這在可穿戴系統(tǒng)中非常常見,。此外，我們按500 Hz采樣速率進(jìn)行測(cè)量,，該值常用于具備臨床性能的系統(tǒng),。

數(shù)據(jù)記錄環(huán)境與常規(guī)智能手表或健身跟蹤器所處的環(huán)境相同，只是光學(xué)傳感器位于手腕上方,。由于慣用手和非慣用手皮下層的微循環(huán)和血管收縮特性稍有不同,，所以兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)反復(fù)記錄兩只手腕的數(shù)據(jù)。然后仔細(xì)分析和比較從左右手腕收集的數(shù)據(jù)集,，以避免因?yàn)榉胖梦恢脤?duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響,。PPG數(shù)據(jù)集來源于11位不同的用戶（受試者），這些用戶都保持坐姿,，處于相同的環(huán)境光密度條件下,。

數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)

采用比較方法非常重要，因?yàn)樾盘?hào)質(zhì)量驗(yàn)證不止意味著要進(jìn)行硬科學(xué)信號(hào)處理,、數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì),，還要分析市場(chǎng)和最終用戶的期望要求。要在可穿戴市場(chǎng)獲得成功,，您需要采用定義明確的案例,，并且清楚知道通過光學(xué)信號(hào)想要獲得什么樣的結(jié)果。

光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器與健身跟蹤和健康狀況監(jiān)測(cè)應(yīng)用密切相連，但也有許多將光學(xué)技術(shù)用于醫(yī)療級(jí)系統(tǒng)的使用案例,。在健身,、衛(wèi)生信息學(xué)或與醫(yī)療相關(guān)的使用案例中，峰值檢測(cè)算法的精度主要取決于原始數(shù)據(jù)質(zhì)量,，與PPG信號(hào)的局部極大值相關(guān),。準(zhǔn)確的峰值檢測(cè)不僅是實(shí)施心率或HRV測(cè)量的原則，在實(shí)施基于PPG血壓的估算檢測(cè)時(shí)也極為重要,。所以,，如果最終提取和計(jì)算的PPG信號(hào)要用于支持健康類應(yīng)用，那么設(shè)計(jì)人員必須選擇提供最佳物理信號(hào)質(zhì)量的傳感器平臺(tái),。比較測(cè)量配置和數(shù)據(jù)分析基于János Pálhalmi的生物信號(hào)計(jì)量專利（待決ID：P1900302）設(shè)計(jì)和施行,。1

最終結(jié)果

為了支持峰值檢測(cè)算法，可以輕松提取和過濾PPG原始數(shù)據(jù)中的基線波動(dòng),。同時(shí),，如上所述，要提取目標(biāo)結(jié)果,，需要峰值在原始數(shù)據(jù)級(jí)別也具備高信號(hào)質(zhì)量,。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注主要頻段比較分析,，目標(biāo)是由典范產(chǎn)品ADPD107和新集成的ADPD188GG光學(xué)模塊測(cè)量的PPG信號(hào)峰值,。信號(hào)的主要部分未改動(dòng)，但非常緩慢的基線波動(dòng)(<0.25 Hz)和高頻分量(>40 Hz)已過濾,。

圖3.提取單獨(dú)的PPG波形（局部極大值周圍的±125數(shù)據(jù)點(diǎn)）,，并彼此重疊比較（藍(lán)色點(diǎn)線）。

波形的總體平均值用紅線表示,。上圖顯示了由ADPD188GG和ADPD107分立式解決方案記錄的PPG信號(hào)之間的相似性,。

計(jì)算子波相干性和相關(guān)比較,，以比較最主要頻率范圍內(nèi)兩個(gè)信號(hào)之間的穩(wěn)定性,。圖3顯示，兩種PPG系統(tǒng)在單個(gè)波形及其平均值上的結(jié)果模式幾乎相同,。

為了繼續(xù)在更深層次的數(shù)據(jù)水平上比較,，我們采用了兩種不同的基于相關(guān)性的方法。計(jì)算每個(gè)即將推出的PPG波形之間的相關(guān)系數(shù)和P值（R,、P）,。還可以通過比較每個(gè)單獨(dú)的PPG波形與平均值來測(cè)試另一種信號(hào)差異。

基于綜合相關(guān)測(cè)試,，我們可以得出結(jié)論：兩種接受比較的PPG系統(tǒng)之間不可能出現(xiàn)巨大差異,，不論是在單個(gè)波形級(jí)別，還是單個(gè)波形與平均值的比較級(jí)別。

子波方法對(duì)特定頻段內(nèi)的差異非常敏感,。因此,，我們計(jì)算了子波相干性函數(shù)，以比較兩種PPG信號(hào),?；谒?1位受試者的分析結(jié)果，兩個(gè)信號(hào)的頻率域或相位域之間不存在明顯差別（參見圖4）,。

圖4.兩個(gè)接受比較的PPG信號(hào)的總體平均值之間的幅度方波相干性由時(shí)間域和頻率域中的顏色強(qiáng)度圖表示,。箭頭方向與信號(hào)之間的相位差成正比。方向向右的水平信號(hào)表示信號(hào)之間不存在相位差,。1

開發(fā)新產(chǎn)品時(shí),，查看特定的頻段也可能有用，這些頻段提取自給定信號(hào),，可用于優(yōu)化產(chǎn)品規(guī)格,。

在本測(cè)試中，在所有相關(guān)頻率范圍內(nèi),，對(duì)接受比較的兩種PPG系統(tǒng)之間的幅度方波相干性的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析,，如圖5所示。整個(gè)頻譜被分為6個(gè)特定的頻率范圍,，以分析各信號(hào)之間的相似性差異,。

對(duì)于所有11位受試者，在PPG信號(hào)峰值周圍的所有頻段內(nèi),，其相干性值都高于0.95,，這表示，典范產(chǎn)品和新集成的ADPD188GG之間相似度非常高,。

圖5.幅度方波子波相干性值的描述性統(tǒng)計(jì)特性在4個(gè)相關(guān)頻率范圍（0 Hz至20 Hz）內(nèi)顯示,。

結(jié)論

ADPD188GG是ADI公司一款全集成式光學(xué)模塊，用于測(cè)量心率,、心率變異性和氧飽和度,，并監(jiān)測(cè)連續(xù)的血壓估算。由于該模塊將光學(xué)和電子器件都集成在微型封裝內(nèi),，所以可以幫助缺乏光學(xué)知識(shí)的設(shè)計(jì)人員和公司縮短總設(shè)計(jì)周期,。該模塊針對(duì)采用反射測(cè)量方法，且波長為525 nm的應(yīng)用實(shí)施優(yōu)化,；但是,，外部LED也可用于在不同波長下測(cè)量，或基于發(fā)射原理測(cè)量,。我們已經(jīng)證明,，集成系統(tǒng)不妨礙我們滿足院外系統(tǒng)或臨床系統(tǒng)中各個(gè)使用案例需要的規(guī)格,。

參考資料

1 János Pálhalmi。生物信號(hào)計(jì)量專利,，P1900302,。

作者簡介

DataSenseLabs Ltd.的János Pálhalmi博士是一名神經(jīng)科學(xué)家、計(jì)量學(xué)家,，擁有健康科學(xué)學(xué)位,。作為一名編程人員，他專注于生物信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析,。János在電生理學(xué)和光學(xué)生物傳感器信號(hào)分析方面擁有20多年的經(jīng)驗(yàn),，涉及分子和細(xì)胞水平分析以及人類健康相關(guān)應(yīng)用。

從2017年底開始,，他和他的公司DataSenseLabs Ltd. (datasenselabs.net)一直與ADI公司的醫(yī)療健康業(yè)務(wù)部門在可穿戴生物信號(hào)評(píng)估和分類領(lǐng)域展開合作,。他的目標(biāo)是幫助合作伙伴在健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中找到適合預(yù)防預(yù)測(cè)的高質(zhì)量解決方案。

Jan-Hein Broeders是ADI公司負(fù)責(zé)歐洲,、中東和非洲市場(chǎng)醫(yī)療健康業(yè)務(wù)的開發(fā)經(jīng)理,。他與醫(yī)療健康行業(yè)密切合作，將他們現(xiàn)在和將來的需求轉(zhuǎn)化為各種解決方案,，這些方案基于ADI公司市場(chǎng)領(lǐng)先的線性和轉(zhuǎn)換器技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理與電源產(chǎn)品,。20多年前，Jan-Hein開始從事半導(dǎo)體行業(yè),，擔(dān)任ADI公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師,，自2008年起開始擔(dān)任目前的醫(yī)療健康部門職務(wù)。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位,。