不打折扣的光学集成

Jan-Hein Broeders，ADI公司业务开发经理

光电容积脉搏波(PPG)是测量血氧饱和度(SPO₂)水平的常用技术。使用光发射器向人体发射光，然后使用光接收器测量反射或未吸收的光的数量。根据两段波长的比值，可以测量氧合血红蛋白的数量。类似技术也被用于测量心率（结合光学技术）或心率变异性。

所有这些系统都需要使用一个或多个光发射器（需要控制），以及一个光电探测器来测量光电流量，由此测量接收到的光量。这个接收信号最终需要放大、调节，并数字化。听起来这种光学系统似乎非常简单；但是，在缺少光学知识的情况下，很容易检索到与用户寻找的信号毫不相关的光学信号。

为了帮助公司达成光学目标，我们新推出了一款全集成式光学模块。该模块经过测试并与成熟的分立式光学系统进行对比，结果相当出色。我们将详细介绍本次测试的结果和所用方法。

随着对家庭健康、保健和预防的关注提高，围绕智能设备形成了一个新的市场，用于跟踪多项生命体征参数。首先是胸带，该设备使用生物电势技术来监测心率，但最近的5到8年，市场普遍转向光学系统，开始利用光电容积脉搏波(PPG)。这项技术的一大优点是我们可以在人体上取一个点进行测量，而生物电势系统最少需要使用两个电极才能对心脏实施测量。对用户而言，这不是很方便，因此，对光学心率监测(HRM)和心率变异性(HRV)监测的关注急剧增加。

在设计这样的系统之前，需要先搞清楚几个问题。最终应用是什么？您想要在人体的哪个部位实施测量？您有多少时间来开发系统？根据这些问题的答案，设计人员可能采用不同的设计路径。

测量PPG采用两种不同的原则。您可以让光通过身体的某个部位，例如手指或耳垂，然后在反面测量接收到或未吸收的光量；或者，在身体的同一侧发射光并测量反射的光量。与反射系统相比，测量通过人体的光量得出的信号量大约多出40 dB至60 dB；但是，采用反射系统时，您可以随意选择放置传感器的位置。

图1.光学HRM/HRV系统的典型框图

由于大部分用户更重视传感器舒适度，而不是性能，所以反射测量方法更受欢迎。所以，本文只介绍反射测量技术。

心脏跳动期间，心脏系统中的血流量发生变化，导致接收到的反射光发生散射。用于测量光学HRM/HRV的光源的波长不止取决于人体测量点，还取决于相对灌注水平，以及组织的温度和色调。一般，对于腕戴式设备，动脉不位于手腕顶端，您需要从皮肤表层下的静脉和毛细血管来检测脉动分量。在这种情况下，绿色光表示最佳结果。在有足够血液流动的位置，例如上臂、太阳穴或耳道，使用红色光或红外光可能更有效，它们可以更深入地穿透组织，给出更强劲的接收信号。

在权衡考虑时，如传感器位置和LED波长，您需要选择最合适的光学解决方案。关于模拟前端有很多选择，可以选择分立式或全集成式，也提供大量光电探测器和LED可供选择。关键在于发射器和接收器的放置方式有利于每毫安发射电流获取最大量的接收信号。这就是所谓的电流传输比，通常用nA/mA表示。在光学系统中，调制指数同样重要，它是交流信号相对于光学直流偏置的量。增大光传感器和LED之间的距离时，调制指数增大。在光电探测器和LED之间存在一个最佳点，这也取决于LED波长。在设计不当的机械系统中，LED光可以不穿透人体组织，直接到达光传感器。这会导致直流偏置，对调制指数产生不利影响。它表现为光串扰，也称为内部光污染(ILP)。

为最大程度减轻设计工作量并缩短上市时间，特别是对于缺乏光学知识的公司，ADI公司构建了全集成式光学子系统，用于反射测量。即ADPD188GG，内含进行光学测量所需的全部器件。图2所示为此模块的照片。

图2.ADPD188GG光学子系统

ADPD188GG是一种全新设计的光学模块，与前代模块相比尺寸不同。其外形几乎呈方形，尺寸为3.98 mm x 5.0 mm，总体厚度为0.9 mm。改动最大的部分是光电探测器，与前代产品相比，方向旋转了90°。相对于LED，这种传感器位置可以提供更高的灵敏度。光传感器本身分为0.4 mm²和0.8 mm²。这提供了灵活性，可以增加整体光二极管表面，以实现更高灵敏度，或者可以使用更小巧的检测器来防止传感器达到饱和。光电二极管被放置在模拟前端上面。ADI正在使用独立的ADPD1080AFE。它有4个输入通道，每个通道都围绕具备可选增益（25k、50k、100k和200k）的互阻放大器、环境光抑制块和一个14位SAR ADC设计。环境光抑制在模拟域完成，相比市面上的其他解决方案，性能更为出色。最后，两个绿色LED受集成电流源管控，能够驱动高达370 mA的电流和1 μs窄脉冲，以降低总体的平均电流。封装设计使得发射的LED光在不穿透人体组织的情况下，很难到达光传感器。这可以防止出现光串扰，为用户提供最佳调制指数，即使传感器放置在玻璃或塑料窗口之下。设计光学反射系统时，这个特性非常有用。对于更适合采用发射测量的应用，ADPD188GG可以绕过内部LED，与外部连接的LED配合使用。

在开始新光学设计之前，需要先确定目标市场，以及最终产品所需的规格，这非常重要。一般来说，相对于用于体育和保健市场的设备，具有医疗级性能的光学系统规格更高。

ADPD107是一种模拟光学前端，适用于分立式光学系统。在市面光学前端中，它被视为典范产品，凭借出色性能广泛用于多种医疗产品中。DataSenseLabs Ltd.具备与ADPD107相关的丰富经验。但是，由于全集成式光学模块在某些用例中具备一定优势，所以DataSenseLabs Ltd.开始研究这些模块并进行比较分析，比较ADPD107与ADPD188GG集成光学模块之间的性能。接下来，我们将详细介绍测试设置、配置和测试结果。

为了实施光学比较，我们在2分钟时间里，同时记录ADPD188GG和ADPD107的原始PPG读数。设置ADPD188GG时，使用了标准评估板，而ADPD107是可穿戴演示平台(EVAL-HCRWATCH)内部的光学系统的组成部分。两种系统都由ADI公司的用户界面应用wavetool软件控制。

为了实施测试，对配置设置实施优化，以获得最高的信号质量。我们保留了AFE配置，包括将LED脉冲、时序和互阻增益保持在特定范围，令两种系统保持相同的功耗，以进行公平的比较（参见表1）。

表1.ADPD188GG和典范产品ADPD107之间的光学模块比较

表1显示ADPD188GG LED电流，其数量高达ADPD107设置中LED电流的2倍。原因在于，集成解决方案的光电二极管表面小于分立式解决方案的表面，必须进行补偿。采用两个由3 V电源供电的LED会令整体功耗增加156 μW，与整体功耗相比，几乎可以忽略不计。我们按100 Hz速率对ADC采样，这在可穿戴系统中非常常见。此外，我们按500 Hz采样速率进行测量，该值常用于具备临床性能的系统。

数据记录环境与常规智能手表或健身跟踪器所处的环境相同，只是光学传感器位于手腕上方。由于惯用手和非惯用手皮下层的微循环和血管收缩特性稍有不同，所以两个光学系统会反复记录两只手腕的数据。然后仔细分析和比较从左右手腕收集的数据集，以避免因为放置位置对信号质量产生影响。PPG数据集来源于11位不同的用户（受试者），这些用户都保持坐姿，处于相同的环境光密度条件下。

采用比较方法非常重要，因为信号质量验证不止意味着要进行硬科学信号处理、数据分析和统计，还要分析市场和最终用户的期望要求。要在可穿戴市场获得成功，您需要采用定义明确的案例，并且清楚知道通过光学信号想要获得什么样的结果。

光学心率监测器与健身跟踪和健康状况监测应用密切相连，但也有许多将光学技术用于医疗级系统的使用案例。在健身、卫生信息学或与医疗相关的使用案例中，峰值检测算法的精度主要取决于原始数据质量，与PPG信号的局部极大值相关。准确的峰值检测不仅是实施心率或HRV测量的原则，在实施基于PPG血压的估算检测时也极为重要。所以，如果最终提取和计算的PPG信号要用于支持健康类应用，那么设计人员必须选择提供最佳物理信号质量的传感器平台。比较测量配置和数据分析基于János Pálhalmi的生物信号计量专利（待决ID：P1900302）设计和施行。¹

为了支持峰值检测算法，可以轻松提取和过滤PPG原始数据中的基线波动。同时，如上所述，要提取目标结果，需要峰值在原始数据级别也具备高信号质量。因此，本文重点关注主要频段比较分析，目标是由典范产品ADPD107和新集成的ADPD188GG光学模块测量的PPG信号峰值。信号的主要部分未改动，但非常缓慢的基线波动(<0.25 Hz)和高频分量(>40 Hz)已过滤。

图3.提取单独的PPG波形（局部极大值周围的±125数据点），并彼此重叠比较（蓝色点线）。

波形的总体平均值用红线表示。上图显示了由ADPD188GG和ADPD107分立式解决方案

记录的PPG信号之间的相似性。

计算子波相干性和相关比较，以比较最主要频率范围内两个信号之间的稳定性。图3显示，两种PPG系统在单个波形及其平均值上的结果模式几乎相同。

为了继续在更深层次的数据水平上比较，我们采用了两种不同的基于相关性的方法。计算每个即将推出的PPG波形之间的相关系数和P值（R、P）。还可以通过比较每个单独的PPG波形与平均值来测试另一种信号差异。

基于综合相关测试，我们可以得出结论：两种接受比较的PPG系统之间不可能出现巨大差异，不论是在单个波形级别，还是单个波形与平均值的比较级别。

子波方法对特定频段内的差异非常敏感。因此，我们计算了子波相干性函数，以比较两种PPG信号。基于所有11位受试者的分析结果，两个信号的频率域或相位域之间不存在明显差别（参见图4）。

图4.两个接受比较的PPG信号的总体平均值之间的幅度方波相干性由时间域和频率域中的颜色强度图表示。箭头方向与信号之间的相位差成正比。方向向右的水平信号表示信号之间不存在相位差。¹

开发新产品时，查看特定的频段也可能有用，这些频段提取自给定信号，可用于优化产品规格。

在本测试中，在所有相关频率范围内，对接受比较的两种PPG系统之间的幅度方波相干性的基础统计特性进行分析，如图5所示。整个频谱被分为6个特定的频率范围，以分析各信号之间的相似性差异。

对于所有11位受试者，在PPG信号峰值周围的所有频段内，其相干性值都高于0.95，这表示，典范产品和新集成的ADPD188GG之间相似度非常高。

图5.幅度方波子波相干性值的描述性统计特性在4个相关频率范围（0 Hz至20 Hz）内显示。¹

ADPD188GG是ADI公司一款全集成式光学模块，用于测量心率、心率变异性和氧饱和度，并监测连续的血压估算。由于该模块将光学和电子器件都集成在微型封装内，所以可以帮助缺乏光学知识的设计人员和公司缩短总设计周期。该模块针对采用反射测量方法，且波长为525 nm的应用实施优化；但是，外部LED也可用于在不同波长下测量，或基于发射原理测量。我们已经证明，集成系统不妨碍我们满足院外系统或临床系统中各个使用案例需要的规格。

¹ János Pálhalmi。生物信号计量专利，P1900302。

DataSenseLabs Ltd.的János Pálhalmi博士是一名神经科学家、计量学家，拥有健康科学学位。作为一名编程人员，他专注于生物信号处理和数据分析。János在电生理学和光学生物传感器信号分析方面拥有20多年的经验，涉及分子和细胞水平分析以及人类健康相关应用。

从2017年底开始，他和他的公司DataSenseLabs Ltd. (datasenselabs.net)一直与ADI公司的医疗健康业务部门在可穿戴生物信号评估和分类领域展开合作。他的目标是帮助合作伙伴在健康状态监测应用中找到适合预防预测的高质量解决方案。

Jan-Hein Broeders是ADI公司负责欧洲、中东和非洲市场医疗健康业务的开发经理。他与医疗健康行业密切合作，将他们现在和将来的需求转化为各种解决方案，这些方案基于ADI公司市场领先的线性和转换器技术和数字信号处理与电源产品。20多年前，Jan-Hein开始从事半导体行业，担任ADI公司的现场应用工程师，自2008年起开始担任目前的医疗健康部门职务。他拥有荷兰斯海尔托亨博斯大学的电气工程学士学位。联系方式：jan.broeders@analog.com。