作者/ Jan-Hein Broeders ADI公司医疗保健事务开发司理
摘要：本文介绍了构建检测心率、心率改动等可穿戴健康设备所需的技能以及相应的传感器，并介绍了进步体系的牢靠性和能效的技巧。
丈量多个参数、读数精确和电池寿数长，这些关于可穿戴健康设备而言尤为重要。自从10年前第一台计步器上市以来，现已发生很大改动。开端，丈量仅重视计步功用。十年来的研讨成果标明，每天走路10000步，即可坚持卡路里摄入和耗费平衡。一起，可穿戴设备添加了其他功用和特性，例如丈量心率、心率改动、体温文皮肤电导率。可穿戴设备开端是为体育和健康意图而规划，但现在正渐渐进入医疗商场。跟着这种改动，咱们有必要愈加依靠丈量的精确性和电池寿数的长短。一块电池能够坚持设备作业的时刻越长，越受用户喜爱。
用于心率丈量的PPG
提到身体健康，咱们身体中最重要的器官便是心脏。能够将它视为人体体系的发动机。没有运转杰出的心脏，咱们将会面临严峻的健康问题。为此，监测心脏功用是重中之重。当每分钟心跳数超出正常值时，咱们就需求查看咱们的心率。除此之外，咱们能够经过心脏的活动频率获取许多的心脏行为信息。当身体需求进行更多活动时，心率加速，为细胞带来更多的养分和含氧血。继续高心率和心率快速改动不是功德，这或许标明存在房颤等心脏疾病。
除了监测心脏频率，还有别的一个参数，称为心率变异性(HRV)。当人们放松时，他们的每分钟心跳数并非固定不变，心跳频率会略有改动，在每分钟±3次范围内。这种改动标明处于放松状况。当人们严重或受惊吓时，体内的肾上腺素水平上升，心脏开端以改动的频率跳动。因而，监测HRV参数很重要。
获取心脏信号的经典办法是生物电丈量心电图(ECG)。可是，要将其集成于可穿戴设备中并不简单。
丈量心率除了运用生物电，还可运用光学原理。这项技能现已存在了很长时刻，称为光电血管容积图(PPG)。PPG技能首要运用于丈量血液中的血氧饱和度(SPO2)的体系中。SPO2丈量是经过身体特定部位(通常是手指或耳垂)发射两种不同波长的光，丈量氧合血红蛋白百分比和血红蛋白总量。因为这项技能也能够丈量心率，所以在可穿戴设备中运用广泛，例如小型腕戴式设备，与生物电丈量不同，它可运用单点丈量拾取心率。ADI公司的ADPD174是一种用于支撑这些运用的光学子体系(如图1)。
反射和透射
许多人都了解SPO2丈量，这能够经过线夹固定在手指或耳垂上来完成。光是经过身体的某一部分发送，并在另一端用光电二极管丈量接纳到的信号。咱们运用这种传输技能丈量接纳到的或不吸收的光量。这项技能的作业原理在信号功用和功耗方面体现优异。可是，在可穿戴体系中集成透射丈量也并非易事，因为关于可穿戴体系，舒适十分要害。因而，反射丈量更为常用。在反射光学体系中，光被发送至安排的外表，一部分被红细胞吸收，其他的光反射回安排外表，由光传感器丈量。在反射体系中，接纳信号最高不超越60 dB，所以咱们需求多加留意发送和接纳信号链的电气和光学方面。
电子和机械应战
心脏跳动期间，血流量发生改动，导致接纳到的反射光发生散射。用来丈量PPG信号的光的波长会随各种要素而有所不同，首先是丈量类型。本文将丈量约束在心率及其改动范围内。关于该丈量，所需的波长不只取决于所丈量的身体方位，还取决于相关血流灌注水平、安排温度和安排的色彩。一般关于腕戴式设备，动脉不坐落手腕顶端，您需求从皮肤表层下的静脉和毛细血管来检测脉动重量。在这些运用中，运用绿光使咱们能够更好地接纳。在血流足够的当地，如上臂、太阳穴和耳道，红光或红外光会愈加有用，它能够更深地穿透安排，尤其是关于电池电量和尺度总是可穿戴式运用的难题，红光或IR LED带来了额定的优势，它们只需求较低的正向电压。这些LED可直接由扣子式电池电压驱动。
当每一μA都发挥其效果
绿色LED需求更高的正向电压，所以需求额定的升压转换器，这将为体系的总功耗带来晦气影响。图2显现了不同色彩LED所需的正向电压与电流的函数联系。假如仍需绿色LED，ADP2503降压/升压转换器能够协助支撑更高的LED正向电压，经过输入电压能够到达最高5.5 V，也可低至2.3V。
在权衡考虑时，如传感器方位和LED色彩，下一步是挑选最合适的光学处理方案。关于模仿前端有许多挑选，分立式或全集成式，也供给许多光传感器和LED可供挑选。为最大程度减轻规划作业量并缩短上市时刻，ADI构建了全集成式光学子体系，用于反射光学丈量。即ADPD174，内含进行光学丈量所需的悉数器材。图3为ADPD174子体系框图。该模块尺度为6.5 mm × 2.8 mm，关于可穿戴体系极具吸引力。
该模块选用一个大型光电二极管、两个绿色LED和一个IR LED。板载混合信号AS%&&&&&%包含模仿信号处理模块、SAR型ADC、数字信号处理模块、I2C通讯接口和三个可编程LED电流源。
体系驱动LED并运用其1.2 mm2光电二极管丈量相应的光学回来信号。运用可穿戴设备丈量PPG面临的最大应战便是战胜环境光和运动发生伪像的搅扰。环境光会对丈量成果发生极大的影响。阳光并不是很难按捺，可是来自荧光灯和节能灯的特别光包含沟通重量，较难消除。ADPD174光学模块具有两级环境光照按捺功用。在光传感器和输入放大器级之后，集成带通滤波器，后接同步解调器，可供给一流的按捺环境光和最高100 KHz直流电搅扰功用。ADC具有14位分辨率和最高255的脉冲值，共可取得20位丈量分辨率。累加多个样本则可完成最高27位的分辨率。
例如，ADPD174以两个独立时隙运转，以丈量两个不同的波长并可按次序履行成果。在每个时隙期间，履行完好的信号途径，从LED鼓励开端，然后捕获光信号和处理数据。
每个电流源能够驱动高达250 mA的LED。立异的LED脉冲操控方法坚持较低的均匀功耗，在很大程度上有助于节约体系的功耗和电池寿数。
这种LED驱动电路的长处是，它是动态可扩展的。许多要素都会影响接纳光学信号的信噪比(SNR)，如肤色或传感器与皮肤间的毛发，这些都会影响接纳端的灵敏度。因而，鼓励LED装备十分便利，可用于构建自适应体系。一切时序和同步都由模仿前端处理，因而不会添加体系微处理器的任何开支。正常状况下，能够运用ADPD174以约一毫瓦功率电平履行牢靠的心率监测。为了找到这个作业点，能够调谐跨阻放大器(TIA)的增益，并结合设置最大LED峰值电流。优化LED电流和TIA增益后，咱们能够添加LED脉冲的数量来获取更多信号。可是，添加LED峰值电流即按份额添加SNR，而添加n倍脉冲数量，仅会导致n平方根(√n)的SNR改善。
找到心率设备的最佳设置在很大程度上也依靠于用户。用户的肤色和设备方位、温度和血液活动都会影响信号强度。核算功耗时，光学前端能够看做两个独立的功率要素，即IADPD和ILED。IADPD是输入放大器级、ADC和数字状况机耗费的电流。这些功率值在很大程度上依靠ADC的采样率。LED电流(ILED)将随人体肤色和传感器在身体上方位而改动。关于深肤色，则需求更多的LED电流;当传感器坐落身体血液活动少的方位时，也需求更多的LED电流。均匀LED电流随LED驱动脉冲宽度、脉冲数量和ADC采样时刻改动。均匀LED电流是最大LED电流乘以脉冲宽度和脉冲的数量。可将这视为一个时隙，每逢取得新样本时重复一次。脉冲宽度可窄至1 μs。
若要在手腕上完成杰出的心率丈量，当运用两个宽度为1 μs的脉冲时，LED峰值电流需求到达125 mA。关于100 Hz采样频率，均匀LED驱动需求25 μA。当咱们添加250 μA均匀AFE电流时，光学前端耗费275 μA (@ 3 V = 825 μW)。
其他机械应战
进行光学体系规划时，除了环境光搅扰，另一个大难题是在反射形式光学体系中处理内部光污染问题。在一个规划完美的体系中，LED宣布的一切光都被发送至安排，且仅能看到反射光，并由光传感器进行丈量。但在实际中，LED灯火会被外壳上的通明窗反射，并在未穿透L1和L2光途径安排的状况下直接送回光传感器(如图4)。
这种ILP效应导致直流失调，并将约束信号的沟通重量，也称为调制指数(MI)。实际上，MI是咱们仅有感兴趣的信号。ILP可经过别离窗口处理，可是，完成批量生产十分困难和贵重。ADPD174能够处理这个问题。它具有特别规划的外壳，无需别离外壳上的通明窗即可削减ILP行为。图5中显现了ADPD174与其前代产品比较，ILP削减和LED电流函数联系的改善状况。这是与商场上其他分立式或集成式设备比较的另一优势。
体系总功耗
在光学体系中，除了光照搅扰，还需求消除运动形成的搅扰。运动会影响可穿戴体系的全体功用，因为运动，机械衔接或与安排的触摸状况会改动，形成光学读数差错。因而，丈量设备的运动并补偿搅扰形成的影响是很重要的。ADI超低功耗3轴ADXL362 MEM传感器彻底支撑这些需求。传感器丈量一切三轴并集成12位SAR ADC，使灵敏度到达每个LSB只要1 mg，并能够经过数字SPI接口进行通讯。功耗与ADC采样率成份额，每轴数据输出速率为100 Hz，传感器功耗仅为1.8 μA。它可选用3 mm × 3 mm封装。继ADXL362，新一代产品仍在开发中，仅是ADXL362 PCB面积的四分之一。
缺了“粘合剂”
到目前为止，咱们现已评论了构建监测心率和心率改动的可穿戴健康设备所需的各种传感器。还缺的是体系的中心，将一切这些传感器衔接在一起，运转所需软件算法并存储、可视化或传输成果的部分。ADI公司最新推出的ADuCM3027/ADuCM3029 Cortex®-M3处理器，能够支撑一切这些需求。它是一款超低功耗、混合信号微操控器，处理功用的功耗小于38 μA/MHz。该处理器具有最大26 MHz的时钟频率，具有四种功率运转形式：
1)有用形式< 38 µA/MHz(一切模仿和数字作业);
2)灵敏形式< 11.5 µA/MHz(模仿有用，内核经过时钟选通，MCU封闭);
3)休眠形式<900 nA(RTC运转，唤醒中止有用，SRAM保存);
4)关断形式<60 nA (模仿/数字深度休眠，仅唤醒中止有用)。
混合信号前端包含12位SAR型ADC、基准电压缓冲和温度传感器。电路板上有128 KB或256 KB的板载闪存，4KB高速缓存和64KB的SRAM。在避免未经授权用户经过外部接口读取设备内容方面做出了极大尽力，这关于设备制造商维护其代码和算法具有巨大的价值。ADuCM302x还可在1.8 V到3.6 V间的单操作电压下运转，1.2 V的内核电压可由板载LDO或其更高效的开关%&&&&&%降压转换器生成。
要将丈量成果无线上传至主机处理器，需求耗费体系许多电能。预处理丈量成果将有助于削减需求传输的数据量。这能够节约更多电能。
小结
ADI高度重视传感器和混合信号处理方案，要点重视高功用和低功耗。运用这些芯片和子体系能够针对健康以及运动和保健商场需求创立相关设备，这些设备仅笔据颗扣子电池供电，即可运转很长时刻。面临的应战始终是构建的体系要具有足够高的功用，一起功耗尽或许低。自适应算法有助于进步全体功用并找到最有用的体系低功耗方位。每次运用设备时，能够小幅更改设置，以到达最佳SNR功用和功耗量的相关HRM精度。
本文来源于我国科技期刊《电子产品世界》2016年第11期第25页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
