使用sigma-delta轉(zhuǎn)換器設(shè)計光學(xué)心率監(jiān)測器

您的靜息心率為您提供了一個了解健康狀況的良好窗口。因此，我們在市場上看到如此多的可穿戴光學(xué)心率監(jiān)測器也就不足為奇了。這些設(shè)備通常使用光體積描記法 （PPG），它是對心動周期導(dǎo)致的組織中血液體積變化的光學(xué)測量。LED 通常用于傳輸路徑以提供光源，而光電二極管通常用于接收路徑以收集從血流折射和反射的光。最后，然后使用算法生成脈沖讀數(shù)。

由于人體皮膚及其所有層的性質(zhì)，創(chuàng)建可從指尖準(zhǔn)確測量心率的可穿戴設(shè)備具有挑戰(zhàn)性。皮膚是一種復(fù)雜的、異質(zhì)的成分矩陣，會散射和吸收光。為了模擬皮膚，我們可以將組織基質(zhì)分層為多個層。在每個分層層，我們可以應(yīng)用吸收、散射、各向異性和折射率屬性來表示每層的整體行為。

然后將分層組織模型與光學(xué)心率監(jiān)測器的光學(xué)模型一起放入光學(xué)設(shè)計軟件中。該軟件跟蹤 LED 發(fā)出的每條光線的路徑。然后可以更改系統(tǒng)參數(shù)以影響路徑長度并最大化接收路徑信號。例如，穿透深度會受到改變光源波長的影響。最終目標(biāo)是詢問皮膚中所需的深度——例如，用于改進(jìn)光學(xué)心率監(jiān)測的血液真皮層。

現(xiàn)在，皮膚光學(xué)特性的差異將影響檢測到的 PPG 信號的大小和質(zhì)量。然而，知情的設(shè)備設(shè)計可以提高性能。什么構(gòu)成知情設(shè)備設(shè)計？讓我們看看下一節(jié)中的一些參數(shù)。

測量 PPG 信號的挑戰(zhàn)

從可穿戴心率監(jiān)測的角度來看，測量 PPG 信號面臨著信噪比、環(huán)境光消除、功耗和運(yùn)動補(bǔ)償?shù)确矫娴奶魬?zhàn)。對于信號鏈優(yōu)化，心率監(jiān)測算法通常需要大于 10dB 的信噪比。

在傳統(tǒng)的接收器路徑中，跨阻放大器 （TIA） 將光電流轉(zhuǎn)換為電壓。光電流通常在亞納安到數(shù)十微安，具體取決于光電二極管面積和量子效率 （QE）。除非管理得當(dāng)，否則環(huán)境光和串?dāng)_可能大于信號。好的設(shè)計將受到散粒噪聲的限制。

Maxim 的接收路徑使用電流模式、連續(xù)時間、sigma-delta 轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換來自光電二極管的電流。這種架構(gòu)有以下好處：

寬環(huán)境消除范圍，受 VDD 和圖 1 中 P1 大小的限制

寬信號范圍，獨(dú)立于 VDD

面積效率，避免使用大型抗混疊濾波器

電源效率，避免 TIA 的額外電流

高信噪比，接近理論最大值

圖 1：連續(xù)時間、電流模式、Σ-Δ ADC

考慮到環(huán)境光消除，直流和交流環(huán)境光抑制都很重要。直流環(huán)境光會使傳感器飽和，而交流環(huán)境光會使信號檢測變得困難。窄脈沖比寬脈沖更有效，但由于需要高帶寬，噪聲可能會帶來挑戰(zhàn)。

為了更有效地消除環(huán)境光，Maxim 采用了兩步法（如圖 2 所示）：

第 1 步：模擬課程取消，此時 LED 關(guān)閉，環(huán)境光在 P1 的柵極上進(jìn)行采樣

第 2 步：數(shù)字精細(xì)消除，其中 LED 關(guān)閉，數(shù)字濾波器去除殘留的 DC、AC 和 1/F 噪聲

圖 2：有效消除環(huán)境光的兩步法。

心率監(jiān)測器的傳輸路徑（圖 3）由 LED 電壓 （VLED） 組成，該電壓必須足夠高以支持 LED 的正向電壓 （VF）；運(yùn)算放大器 （op amp），它必須具有良好的線性度和高電源抑制比 （PSRR），以減輕電源噪聲；和一個 LED，對于大多數(shù)心率監(jiān)測器來說通常是綠色的。

圖 3：心率監(jiān)測的傳輸路徑。

開發(fā)心率監(jiān)測系統(tǒng)還需要考慮所涉及的算法。噪聲抑制、信號檢測和運(yùn)動補(bǔ)償都是需要解決的重要挑戰(zhàn)。例如，為了節(jié)省電力，設(shè)備必須能夠自動檢測何時與人體皮膚接觸。為了準(zhǔn)確，該設(shè)備必須能夠抑制環(huán)境和模擬前端 （AFE） 噪聲。

心率和血氧監(jiān)測需要準(zhǔn)確檢測 PPG 峰（也稱為收縮峰）和 PPG 谷。在傳統(tǒng)算法中，運(yùn)動補(bǔ)償使用快速傅里葉變換 （FFT） 或其他經(jīng)典信號處理方法。這種方法實現(xiàn)起來很簡單，但幾乎不可能用經(jīng)典濾波器消除所有運(yùn)動類型。

去除運(yùn)動偽影后，心率測定傳統(tǒng)上使用頻譜分析、多項式擬合或獨(dú)立卡爾曼濾波器。但是，這些方法也有缺點(diǎn)：

您需要足夠數(shù)量的心跳才能進(jìn)行良好的 FFT 或多項式擬合

由于呼吸竇性心律失常，F(xiàn)FT 在心率頻率處總是有一個“模糊”峰值，因此很難知道報告什么頻率

卡爾曼模型不能是真實 PPG 模式的精確模型

由于頻率接近，很難通過頻譜分析將運(yùn)動與心率區(qū)分開來

Maxim 開發(fā)了自己的專有算法，經(jīng)過廣泛測試和證明可以克服許多這些缺點(diǎn)。

推進(jìn)可穿戴健康設(shè)計的資源

當(dāng)然，除了滿足測量PPG信號的要求外，可穿戴心率監(jiān)測設(shè)備還必須符合可穿戴設(shè)備本身的參數(shù)。這些參數(shù)包括電源管理/長電池壽命、超小尺寸、臨床性能、集成和低功耗運(yùn)行。

目前，基于手腕的可穿戴 PPG 傳感器設(shè)計種類繁多。市場仍在等待基于腕部的最佳心率監(jiān)測器設(shè)計。同時，在您考慮下一個設(shè)計時，請考慮可幫助您應(yīng)對技術(shù)和上市時間挑戰(zhàn)的資源。例如，Maxim 提供了一個開發(fā)平臺，可以快速輕松地評估客戶健康應(yīng)用，并將生產(chǎn)開發(fā)時間縮短最多 6 個月。hSensor 平臺包括溫度傳感器、生物電勢 （ECG） AFE、脈搏血氧儀和心率傳感器、集成電源管理 IC （PMIC） 以及用于可穿戴設(shè)備的 ARM? Cortex?-M4F MCU。

如前所述，光學(xué)心率監(jiān)測性能通過知情設(shè)計得到改善，而hSensor 平臺等設(shè)計資源代表了知情設(shè)計的重要元素。了解有關(guān) Maxim 各種可穿戴健康解決方案的更多信息，看看您是否可以為基于手腕的心率監(jiān)測器創(chuàng)建最佳設(shè)計。

審核編輯：郭婷