當每一μA都發(fā)揮其作用

作者/ Jan-Hein Broeders ADI公司醫(yī)療保健業(yè)務開發(fā)經理

摘要：本文介紹了構建檢測心率、心率變化等可穿戴健康設備所需的技術以及相應的傳感器，并介紹了提高系統(tǒng)的可靠性和能效的技巧。

　　測量多個參數、讀數準確和電池壽命長，這些對于可穿戴健康設備而言尤為重要。自從10年前第一臺計步器上市以來，已經發(fā)生很大變化。最初，測量僅關注計步功能。十年來的研究結果表明，每天走路10000步，即可保持卡路里攝入和消耗平衡。同時，可穿戴設備增加了其他功能和特性，例如測量心率、心率變化、體溫和皮膚電導率?？纱┐髟O備最初是為體育和健康目的而設計，但現(xiàn)在正慢慢進入醫(yī)療市場。隨著這種轉變，我們必須更加依賴測量的準確性和電池壽命的長短。一塊電池能夠維持設備運轉的時間越長，越受用戶青睞。

用于心率測量的PPG

　　說到身體健康，我們身體中最重要的器官就是心臟?？梢詫⑺暈槿梭w系統(tǒng)的發(fā)動機。沒有運行良好的心臟，我們將會面臨嚴重的健康問題。為此，監(jiān)測心臟功能是重中之重。當每分鐘心跳數超出正常值時，我們就需要檢查我們的心率。除此之外，我們可以通過心臟的活動頻率獲取大量的心臟行為信息。當身體需要進行更多活動時，心率加快，為細胞帶來更多的營養(yǎng)和含氧血。持續(xù)高心率和心率快速變化不是好事，這可能表示存在房顫等心臟疾病。

　　除了監(jiān)測心臟頻率，還有另外一個參數，稱為心率變異性(HRV)。當人們放松時，他們的每分鐘心跳數并非固定不變，心跳頻率會略有變化，在每分鐘±3次范圍內。這種變化表明處于放松狀態(tài)。當人們緊張或受驚嚇時，體內的腎上腺素水平上升，心臟開始以變化的頻率跳動。因此，監(jiān)測HRV參數很重要。

　　獲取心臟信號的經典方法是生物電測量心電圖(ECG)。但是，要將其集成于可穿戴設備中并不容易。

　　測量心率除了利用生物電，還可利用光學原理。這項技術已經存在了很長時間，稱為光電血管容積圖(PPG)。PPG技術主要應用于測量血液中的血氧飽和度(SPO2)的系統(tǒng)中。SPO2測量是通過身體特定部位(通常是手指或耳垂)發(fā)射兩種不同波長的光，測量氧合血紅蛋白百分比和血紅蛋白總量。由于這項技術也可以測量心率，所以在可穿戴設備中應用廣泛，例如小型腕戴式設備，與生物電測量不同，它可使用單點測量拾取心率。ADI公司的ADPD174是一種用于支持這些應用的光學子系統(tǒng)(如圖1)。

反射和透射

　　很多人都熟悉SPO2測量，這可以通過線夾固定在手指或耳垂上來實現(xiàn)。光是通過身體的某一部分發(fā)送，并在另一端用光電二極管測量接收到的信號。我們利用這種傳輸技術測量接收到的或不吸收的光量。這項技術的工作原理在信號性能和功耗方面表現(xiàn)優(yōu)異。但是，在可穿戴系統(tǒng)中集成透射測量也并非易事，因為對于可穿戴系統(tǒng)，舒適非常關鍵。因此，反射測量更為常用。在反射光學系統(tǒng)中，光被發(fā)送至組織的表面，一部分被紅細胞吸收，其余的光反射回組織表面，由光傳感器測量。在反射系統(tǒng)中，接收信號最高不超過60 dB，所以我們需要多加注意發(fā)送和接收信號鏈的電氣和光學方面。

電子和機械挑戰(zhàn)

　　心臟跳動期間，血流量發(fā)生變化，導致接收到的反射光發(fā)生散射。用來測量PPG信號的光的波長會隨各種因素而有所不同，首先是測量類型。本文將測量限制在心率及其變化范圍內。對于該測量，所需的波長不僅取決于所測量的身體位置，還取決于相關血流灌注水平、組織溫度和組織的色調。一般對于腕戴式設備，動脈不位于手腕頂端，您需要從皮膚表層下的靜脈和毛細血管來檢測脈動分量。在這些應用中，使用綠光使我們能夠更好地接收。在血流充足的地方，如上臂、太陽穴和耳道，紅光或紅外光會更加有效，它可以更深地穿透組織，尤其是對于電池電量和尺寸總是可穿戴式應用的難題，紅光或IR LED帶來了額外的優(yōu)勢，它們只需要較低的正向電壓。這些LED可直接由紐扣式電池電壓驅動。

當每一μA都發(fā)揮其作用

　　綠色LED需要更高的正向電壓，所以需要額外的升壓轉換器，這將為系統(tǒng)的總功耗帶來不利影響。圖2顯示了不同顏色LED所需的正向電壓與電流的函數關系。如果仍需綠色LED，ADP2503降壓/升壓轉換器可以幫助支持更高的LED正向電壓，通過輸入電壓可以達到最高5.5 V，也可低至2.3V。

　　在權衡考慮時，如傳感器位置和LED顏色，下一步是選擇最合適的光學解決方案。關于模擬前端有很多選擇，分立式或全集成式，也提供大量光傳感器和LED可供選擇。為最大程度減輕設計工作量并縮短上市時間，ADI構建了全集成式光學子系統(tǒng)，用于反射光學測量。即ADPD174，內含進行光學測量所需的全部器件。圖3為ADPD174子系統(tǒng)框圖。該模塊尺寸為6.5 mm × 2.8 mm，對于可穿戴系統(tǒng)極具吸引力。

　　該模塊采用一個大型光電二極管、兩個綠色LED和一個IR LED。板載混合信號ASIC包括模擬信號處理模塊、SAR型ADC、數字信號處理模塊、I2C通信接口和三個可編程LED電流源。

　　系統(tǒng)驅動LED并使用其1.2 mm2光電二極管測量相應的光學返回信號。利用可穿戴設備測量PPG面臨的最大挑戰(zhàn)就是克服環(huán)境光和運動產生偽像的干擾。環(huán)境光會對測量結果產生極大的影響。陽光并不是很難抑制，但是來自熒光燈和節(jié)能燈的特殊光包含交流分量，較難消除。ADPD174光學模塊具有兩級環(huán)境光照抑制功能。在光傳感器和輸入放大器級之后，集成帶通濾波器，后接同步解調器，可提供一流的抑制環(huán)境光和最高100 KHz直流電干擾功能。ADC具有14位分辨率和最高255的脈沖值，共可獲得20位測量分辨率。累加多個樣本則可實現(xiàn)最高27位的分辨率。

　　例如，ADPD174以兩個獨立時隙運行，以測量兩個不同的波長并可按順序執(zhí)行結果。在每個時隙期間，執(zhí)行完整的信號路徑，從LED激勵開始，然后捕獲光信號和處理數據。

　　每個電流源能夠驅動高達250 mA的LED。創(chuàng)新的LED脈沖控制方式保持較低的平均功耗，在很大程度上有助于節(jié)省系統(tǒng)的功耗和電池壽命。

　　這種LED驅動電路的優(yōu)點是，它是動態(tài)可擴展的。很多因素都會影響接收光學信號的信噪比(SNR)，如膚色或傳感器與皮膚間的毛發(fā)，這些都會影響接收端的靈敏度。因此，激勵LED配置非常方便，可用于構建自適應系統(tǒng)。所有時序和同步都由模擬前端處理，因此不會增加系統(tǒng)微處理器的任何開銷。正常情況下，可以使用ADPD174以約一毫瓦功率電平執(zhí)行可靠的心率監(jiān)測。為了找到這個工作點，可以調諧跨阻放大器(TIA)的增益，并結合設置最大LED峰值電流。優(yōu)化LED電流和TIA增益后，我們可以增加LED脈沖的數量來獲取更多信號。但是，增加LED峰值電流即按比例增加SNR，而增加n倍脈沖數量，僅會導致n平方根(√n)的SNR改善。

　　找到心率設備的最佳設置在很大程度上也依賴于用戶。用戶的膚色和設備位置、溫度和血液流動都會影響信號強度。計算功耗時，光學前端可以看做兩個獨立的功率因素，即IADPD和ILED。IADPD是輸入放大器級、ADC和數字狀態(tài)機消耗的電流。這些功率值在很大程度上依賴ADC的采樣率。LED電流(ILED)將隨人體膚色和傳感器在身體上位置而變化。對于深膚色，則需要更多的LED電流;當傳感器位于身體血液流動少的位置時，也需要更多的LED電流。平均LED電流隨LED驅動脈沖寬度、脈沖數量和ADC采樣時間變化。平均LED電流是最大LED電流乘以脈沖寬度和脈沖的數量?？蓪⑦@視為一個時隙，每當獲得新樣本時重復一次。脈沖寬度可窄至1 μs。

　　若要在手腕上實現(xiàn)良好的心率測量，當使用兩個寬度為1 μs的脈沖時，LED峰值電流需要達到125 mA。對于100 Hz采樣頻率，平均LED驅動需要25 μA。當我們增加250 μA平均AFE電流時，光學前端消耗275 μA (@ 3 V = 825 μW)。

其他機械挑戰(zhàn)

　　進行光學系統(tǒng)設計時，除了環(huán)境光干擾，另一個大難題是在反射模式光學系統(tǒng)中解決內部光污染問題。在一個設計完美的系統(tǒng)中，LED發(fā)出的所有光都被發(fā)送至組織，且僅能看到反射光，并由光傳感器進行測量。但在現(xiàn)實中，LED燈光會被外殼上的透明窗反射，并在未穿透L1和L2光路徑組織的情況下直接送回光傳感器(如圖4)。

　　這種ILP效應導致直流失調，并將限制信號的交流分量，也稱為調制指數(MI)。實際上，MI是我們唯一感興趣的信號。ILP可通過分離窗口解決，但是，實現(xiàn)批量生產非常困難和昂貴。ADPD174可以解決這個問題。它具有特殊設計的外殼，無需分離外殼上的透明窗即可減少ILP行為。圖5中顯示了ADPD174與其前代產品相比，ILP減少和LED電流函數關系的改進情況。這是與市場上其他分立式或集成式設備相比的另一優(yōu)勢。

系統(tǒng)總功耗

　　在光學系統(tǒng)中，除了光照干擾，還需要消除運動造成的干擾。運動會影響可穿戴系統(tǒng)的總體性能，由于運動，機械連接或與組織的接觸狀態(tài)會改變，造成光學讀數誤差。因此，測量設備的運動并彌補干擾造成的影響是很重要的。ADI超低功耗3軸ADXL362 MEM傳感器完全支持這些需求。傳感器測量所有三軸并集成12位SAR ADC，使靈敏度達到每個LSB只有1 mg，并能夠通過數字SPI接口進行通信。功耗與ADC采樣率成比例，每軸數據輸出速率為100 Hz，傳感器功耗僅為1.8 μA。它可采用3 mm × 3 mm封裝。繼ADXL362，新一代產品仍在開發(fā)中，僅是ADXL362 PCB面積的四分之一。

缺了“粘合劑”

　　到目前為止，我們已經討論了構建監(jiān)測心率和心率變化的可穿戴健康設備所需的各種傳感器。還缺的是系統(tǒng)的核心，將所有這些傳感器連接在一起，運行所需軟件算法并存儲、可視化或傳輸結果的部分。ADI公司最新推出的ADuCM3027/ADuCM3029 Cortex?-M3處理器，能夠支持所有這些需求。它是一款超低功耗、混合信號微控制器，處理功能的功耗小于38 μA/MHz。該處理器具有最大26 MHz的時鐘頻率，具有四種功率運行模式：

　　1)有效模式< 38 μA/MHz(所有模擬和數字工作);

　　2)靈活模式< 11.5 μA/MHz(模擬有效，內核通過時鐘選通，MCU關閉);

　　3)休眠模式<900 nA(RTC運行，喚醒中斷有效，SRAM保留);

　　4)關斷模式<60 nA (模擬/數字深度休眠，僅喚醒中斷有效)。

　　混合信號前端包括12位SAR型ADC、基準電壓緩沖和溫度傳感器。電路板上有128 KB或256 KB的板載閃存，4KB高速緩存和64KB的SRAM。在防止未經授權用戶通過外部接口讀取設備內容方面做出了極大努力，這對于設備制造商保護其代碼和算法具有巨大的價值。ADuCM302x還可在1.8 V到3.6 V間的單操作電壓下運行，1.2 V的內核電壓可由板載LDO或其更高效的開關電容降壓轉換器生成。

　　要將測量結果無線上傳至主機處理器，需要消耗系統(tǒng)大量電能。預處理測量結果將有助于減少需要傳輸的數據量。這能夠節(jié)省更多電能。

小結

　　ADI高度重視傳感器和混合信號解決方案，重點關注高性能和低功耗。利用這些芯片和子系統(tǒng)可以針對健康以及運動和保健市場需求創(chuàng)建相關設備，這些設備僅憑單顆紐扣電池供電，即可運行很長時間。面對的挑戰(zhàn)始終是構建的系統(tǒng)要具有足夠高的性能，同時功耗盡可能低。自適應算法有助于提高整體性能并找到最有效的系統(tǒng)低功耗位置。每次使用設備時，可以小幅更改設置，以達到最佳SNR性能和功耗量的相關HRM精度。

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第11期第25頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。