光學(xué)心率監(jiān)測(cè)(HRM)系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)光學(xué)心率監(jiān)測(cè) (HRM) 系統(tǒng)，也稱為光電容積描記術(shù) (PPG)，是一項(xiàng)復(fù)雜且多學(xué)科的工作。設(shè)計(jì)因素包括人體工程學(xué)、信號(hào)處理和濾波、光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)、低噪聲信號(hào)接收電路和低噪聲電流脈沖創(chuàng)建。

可穿戴設(shè)備制造商越來越多地將 HRM 功能添加到他們的健康和健身產(chǎn)品中，這有助于降低 HRM 應(yīng)用中使用的傳感器的成本。許多 HRM 傳感器現(xiàn)在將光電探測(cè)器和 LED 等分立元件組合成高度集成的模塊。這些模塊實(shí)現(xiàn)了更簡單的實(shí)施，從而降低了將 HRM 添加到可穿戴產(chǎn)品的成本和復(fù)雜性。

可穿戴形式因素也在穩(wěn)步變化。雖然胸帶多年來一直有效地服務(wù)于健康和健身市場(chǎng)，但 HRM 現(xiàn)在正在遷移到基于手腕的可穿戴設(shè)備。光學(xué)傳感技術(shù)和高性能、低功耗處理器的進(jìn)步使基于手腕的外形尺寸適用于許多設(shè)計(jì)。HRM 算法也達(dá)到了手腕形狀因素可以接受的復(fù)雜程度。

其他新的可穿戴傳感形式因素和位置正在出現(xiàn)——例如頭帶、運(yùn)動(dòng)和健身服裝以及耳塞。然而，大多數(shù)可穿戴生物識(shí)別傳感將在手腕上完成。

HRM 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

沒有兩個(gè) HRM 應(yīng)用程序是相同的。系統(tǒng)開發(fā)人員必須考慮許多設(shè)計(jì)權(quán)衡：最終用戶的舒適度、傳感精度、系統(tǒng)成本、功耗、陽光抑制、如何處理多種皮膚類型、運(yùn)動(dòng)抑制、開發(fā)時(shí)間和物理尺寸。這些設(shè)計(jì)考慮因素會(huì)影響系統(tǒng)集成選擇：是使用高度集成的模塊還是包含更多分立組件的架構(gòu)。

圖 1：光學(xué)心率監(jiān)測(cè)的操作原理。

圖 1 顯示了測(cè)量心率信號(hào)的基本原理，這取決于從組織中光學(xué)提取的心率壓力波。它顯示了光線進(jìn)入皮膚的傳播路徑。由心率壓力波引起的毛細(xì)血管的擴(kuò)張和收縮會(huì)調(diào)節(jié)由綠色 LED 注入組織的光信號(hào)。

接收到的信號(hào)會(huì)因穿過皮膚而大大衰減，并被光電二極管拾取并發(fā)送到電子子系統(tǒng)進(jìn)行處理。檢測(cè)、分析和顯示由脈沖引起的幅度調(diào)制。

HRM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法是使用定制編程的現(xiàn)成 MCU，它控制外部 LED 驅(qū)動(dòng)器的脈沖并同時(shí)讀取分立光電二極管的電流輸出。請(qǐng)注意，光電二極管的電流輸出必須轉(zhuǎn)換為電壓以驅(qū)動(dòng)模數(shù) (A/D) 模塊。圖 2中的示意圖 顯示了這種系統(tǒng)的概要。

圖 2：捕獲光學(xué)心率所需的基本電子設(shè)備。

在這里，值得注意的是，I-to-V 轉(zhuǎn)換器在 0 光電二極管電流下產(chǎn)生等于 V REF 的電壓，并且電壓隨著電流的增加而降低。

HRM 構(gòu)建模塊

心率系統(tǒng)中通常使用的電流脈沖介于 2 mA 和 300 mA 之間，具體取決于對(duì)象皮膚的顏色和所需信號(hào)需要與之競爭的陽光強(qiáng)度。與所需的綠色 LED 光不同，陽光中的紅外 (IR) 輻射通過皮膚組織幾乎沒有衰減，并且可以淹沒所需的信號(hào)，除非綠光非常強(qiáng)或除非添加了昂貴的 IR 阻擋濾光片。

一般來說，進(jìn)入皮膚的綠色 LED 光的強(qiáng)度在陽光強(qiáng)度的 0.1 到 3 倍之間。由于組織的嚴(yán)重衰減，到達(dá)光電二極管的信號(hào)非常微弱，并且產(chǎn)生的電流剛好足以實(shí)現(xiàn)合理的信噪比 (SNR) — 70 到 100 dB — 由于散粒噪聲，即使在完美、無噪聲的運(yùn)算放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器的存在。

散粒噪聲是由于在 25 Hz 下發(fā)生的每個(gè)讀數(shù)接收到的電子數(shù)量有限。設(shè)計(jì)中使用的光電二極管尺寸介于 0.1 mm 2 和 7 mm 2之間。然而，在 1 毫米以上，由于陽光的影響，收益遞減。

如圖 2所示，在光學(xué)心率系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)困難且成本高昂的功能塊是驅(qū)動(dòng) LED 的快速、高電流 V-to-I 轉(zhuǎn)換器，這是一種用于光電二極管，以及 MCU 中的可靠算法，可在主機(jī)控制下對(duì)脈沖進(jìn)行排序。低噪聲 LED 驅(qū)動(dòng)器 — 具有 300 mA 和 75–100 dB SNR — 可以設(shè)置為低至 2 mA 的極低電流，同時(shí)仍能產(chǎn)生低至 10 μs 的非常窄的光脈沖，這是使用離散運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的昂貴模塊安培。

如圖 2所示，低至 10 μs 的窄光脈沖使系統(tǒng)能夠承受運(yùn)動(dòng)和陽光。通常，對(duì)每個(gè) 25-Hz 樣本進(jìn)行兩次光測(cè)量。一項(xiàng)測(cè)量是在 LED 關(guān)閉的情況下進(jìn)行的，一項(xiàng)是在 LED 開啟的情況下進(jìn)行的。計(jì)算出的差異消除了環(huán)境光的影響，并提供了對(duì)閃爍的背景光不敏感的所需原始光信號(hào)測(cè)量值。

光脈沖的短持續(xù)時(shí)間既允許也需要相對(duì)強(qiáng)的光脈沖。必須保持比可能存在的陽光信號(hào)更亮，并且不允許 PPG 信號(hào)載體被陽光信號(hào)相形見絀。

如果陽光信號(hào)大于 PPG 載波，那么盡管可以通過減法將其去除，但信號(hào)可能非常大，以至于外部調(diào)制(例如擺動(dòng)手臂進(jìn)出陰影)會(huì)產(chǎn)生難以去除的偽影。因此，使用低電流 LED 驅(qū)動(dòng)器和大型光電二極管的系統(tǒng)在強(qiáng)光情況下可能會(huì)受到運(yùn)動(dòng)偽影的嚴(yán)重影響。

分立式與集成式設(shè)計(jì)

許多所需的 HRM 傳感功能都可以預(yù)先設(shè)計(jì)并集成到單個(gè)設(shè)備中。將大部分功能封裝到一塊硅片中，可以形成一個(gè)相對(duì)較小的 3 x 3 毫米封裝，甚至可以集成光電二極管本身。

圖 3 顯示了帶有光學(xué)傳感器的示意圖示例。這種 HRM 設(shè)計(jì)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。您只需要關(guān)注設(shè)計(jì)的光學(xué)部分，其中包括電路板上部件之間的光學(xué)阻擋以及系統(tǒng)與皮膚的耦合。

圖 3：集成心率傳感器僅需要外部 LED。

雖然圖 3中所示的方法 產(chǎn)生了高性能 HRM 解決方案，但它并不像某些設(shè)計(jì)人員所希望的那樣小或高能效。為了實(shí)現(xiàn)更小的解決方案，LED 管芯和控制硅片必須集成到一個(gè)封裝中，該封裝包含所有基本功能，包括光阻擋和提高 LED 輸出的透鏡。圖 4 說明了這種更加集成的方法，基于 Silicon Labs Si117x 光學(xué)傳感器。

圖 4：高度集成的 HRM 傳感器模塊，包含所有基本組件。

此 HRM 設(shè)計(jì)不需要外部 LED。LED 和光電二極管都在模塊內(nèi)部，可以安裝在智能手表等可穿戴產(chǎn)品背面的光學(xué)端口正下方。與分立設(shè)計(jì)相比，這種方法可以縮短 LED 和光電二極管之間的距離。由于穿過皮膚的光損耗較低，因此縮短的距離允許在極低的功率下運(yùn)行。

集成 LED 還解決了 LED 和光電二極管之間的漏光問題，因此設(shè)計(jì)人員不必在 PCB 上添加光阻。這種方法的替代方法是使用塑料或泡沫插入物和 PCB 上的特殊銅層來處理阻塞。

開發(fā)人員不一定需要?jiǎng)?chuàng)建 HRM 設(shè)計(jì)的另一部分：HRM 算法。由于通常在運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)期間發(fā)生的信號(hào)損壞，駐留在主機(jī)處理器上的這個(gè)軟件塊非常復(fù)雜。最終用戶的運(yùn)動(dòng)通常會(huì)產(chǎn)生自己的信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)欺騙實(shí)際的心率信號(hào)，有時(shí)會(huì)被錯(cuò)誤地識(shí)別為心率跳動(dòng)。

如果可穿戴開發(fā)人員或制造商沒有資源來開發(fā)算法，第三方供應(yīng)商會(huì)在許可的基礎(chǔ)上提供此軟件。由設(shè)計(jì)人員決定適合 HRM 應(yīng)用程序的集成程度。開發(fā)人員可以通過使用許可算法選擇高度集成的基于模塊的方法來簡化設(shè)計(jì)過程并加快上市時(shí)間。

擁有深入光學(xué)傳感專業(yè)知識(shí)、時(shí)間和資源的開發(fā)人員可能會(huì)選擇使用單獨(dú)的組件——傳感器、光電二極管、鏡頭等——并進(jìn)行自己的系統(tǒng)集成，甚至創(chuàng)建自己的 HRM 算法。