淺談可穿戴設(shè)備PPG方案結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)

隨著可穿戴設(shè)備逐漸從運(yùn)動(dòng)助手、娛樂(lè)工具的產(chǎn)品定位升級(jí)到健康伴侶，具備PPG（光電容積脈搏波描記法）測(cè)量心率（HR)、血氧飽和度（SpO2）及其他生物計(jì)量指標(biāo)，也成為“剛需”功能。

因此，可穿戴設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)：如何在終端應(yīng)用整體方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一款高精度、高可靠，甚至滿足臨床級(jí)的PPG測(cè)量方案？

此文將提供多種可穿戴設(shè)備的PPG測(cè)量方案設(shè)計(jì)，滿足終端客戶的設(shè)計(jì)需求。

PPG的心率、血氧測(cè)量原理

通常來(lái)說(shuō)，PPG測(cè)量方案由光發(fā)射器（發(fā)光二極管，LED）、光感應(yīng)器（光電二極管，PD）、模擬前端（AFE）芯片及加速計(jì)構(gòu)成。

PPG檢測(cè)即通過(guò)光發(fā)射器將光波照進(jìn)皮膚內(nèi)部，再由光感應(yīng)器接收光強(qiáng)變化，最后通過(guò)模擬前端芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而獲取PPG原始信號(hào)。其間，加速計(jì)可測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，與光信號(hào)結(jié)合使用，可作為PPG算法輸入。

在PPG檢測(cè)后期，可通過(guò)復(fù)雜的算法，處理來(lái)自模擬前端和加速計(jì)的原始信號(hào)，從而生成持續(xù)的運(yùn)動(dòng)容錯(cuò)心率、血氧數(shù)據(jù)和其他生物計(jì)量數(shù)據(jù)。

PPG的心率檢測(cè)原理：利用人體的血液容積會(huì)隨著心臟律動(dòng)呈搏動(dòng)性變化，光感應(yīng)器接收的光強(qiáng)也隨之呈搏動(dòng)性變化。通過(guò)PPG模擬前端（AFE）芯片調(diào)節(jié)，即可將光強(qiáng)變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由此計(jì)算心率值。

PPG的血氧飽和度檢測(cè)原理：利用氧中血紅蛋白與脫氧血紅蛋白對(duì)紅光（660nm）和紅外光（940nm）的吸收光譜不同，測(cè)量氧和血紅蛋白的濃度，即可提供可連續(xù)的動(dòng)態(tài)血氧監(jiān)測(cè)PPG信號(hào)。

PPG光路結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)介紹

PPG檢測(cè)結(jié)果的精度與原始信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性密切相關(guān)，而原始信號(hào)與PPG光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。因此，擁有高品質(zhì)的PPG光路結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，是可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)高精度PPG檢測(cè)功能的基礎(chǔ)。

PPG光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括光學(xué)小板布局、光窗設(shè)計(jì)和相關(guān)結(jié)構(gòu)工藝選擇等。其中，PD與LED透光光窗的光路傳導(dǎo)路徑及結(jié)構(gòu)疊層（LED沿手臂方向擺放），如圖1所示：

圖1 可穿戴設(shè)備的PPG光路方向示意圖

需要注意的是，為了保證靜息、運(yùn)動(dòng)不同狀態(tài)下的心率檢測(cè)結(jié)果，PPG光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要確保光學(xué)窗口與皮膚緊密貼合、盡量減少環(huán)境光干擾，以及盡量減少發(fā)射光未經(jīng)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)入PD。

1光學(xué)小板主要布局

通常來(lái)說(shuō)，PPG光路布局中心（通常為凸臺(tái)中心）與可穿戴設(shè)備中心重合。用于測(cè)量心率的綠燈中心與PD中心間距（gd）建議3.8～4.5mm，推薦值3.8mm。用于測(cè)量血氧的紅燈及紅外燈中心與PD中心間距（rd）建議5.5～7.5mm，推薦值6.6mm。常見(jiàn)布局如下：

十字形光路布局：光路布局中心位置對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)兩個(gè)三合一LED，PD均勻分布在四周，見(jiàn)圖2所示。

圖2 十字形光路（PD在四周）在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

T字形光路布局：光路布局中心位置附近放置PD，兩個(gè)綠燈LED沿表帶方向關(guān)于PD中心對(duì)稱(chēng)分布，血氧LED燈設(shè)計(jì)在兩個(gè)綠燈LED中心的中垂線上，見(jiàn)圖3所示。

圖3 T字形光路（PD在四周）在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

一字形光路布局A：以PD中心和血氧燈光學(xué)中心的連線中心作為光路布局中心位置，沿表帶方向分別設(shè)置PD、綠燈、血氧LED燈，見(jiàn)圖4所示。

圖4 一字形光路（PD在邊上）在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

一字形光路布局B：以綠燈光學(xué)中心和血氧燈光學(xué)中心的連線中心作為光路布局中心位置，綠燈和血氧LED燈沿表帶方向設(shè)置，PD放在兩燈的中間位置，見(jiàn)圖5所示。

圖5 一字形光路（PD在中間）在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

2光窗設(shè)計(jì)方案

通常來(lái)說(shuō)，光窗設(shè)計(jì)方案有兩種：雙色模光窗方案、絲印鏡片光窗方案。

雙色模光窗方案設(shè)計(jì)：雙色模光窗方案指采用雙色注塑工藝，將透明光窗部分與不透光殼體整體注塑成為一體，見(jiàn)圖6所示。

圖6 雙色模光窗方案示意圖

雙色模光窗方案更能減少竄光，結(jié)構(gòu)也更穩(wěn)定可靠，但模具成本相對(duì)更高。

絲印鏡片光窗方案設(shè)計(jì)：絲印鏡片光窗方案，指在殼體上面粘貼一片或多片鏡片，在鏡片底部把非透光區(qū)域絲印一層黑色油墨阻擋光的傳遞，而光穿過(guò)透光區(qū)域（光窗）則形成固定的光路。結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 絲印鏡片光窗方案示意圖

因?yàn)楣獯安馁|(zhì)透明，為減少光線經(jīng)過(guò)LED光窗時(shí)直接傳導(dǎo)至PD光窗，LED光窗內(nèi)表面建議做增透處理（如菲涅爾紋）提升光效，PD光窗內(nèi)表面也可做菲涅爾紋聚光增透處理。

結(jié)語(yǔ)

即便有優(yōu)秀的PPG方案結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，要想系統(tǒng)性能獲得最大發(fā)揮，仍有賴(lài)于高品質(zhì)的模擬前端芯片的配合。

芯?？萍?/u>CS1262是一款專(zhuān)用于PPG信號(hào)采集的模擬前端（AFE）產(chǎn)品。該產(chǎn)品是第一款在技術(shù)上適配OpenHarmony生態(tài)的“健康測(cè)量”傳感器芯片。該產(chǎn)品基于OpenHarmony系統(tǒng)環(huán)境下，能夠?yàn)榻K端品牌產(chǎn)品提供全棧解決方案，可用于心率、血氧、血壓等健康指標(biāo)的采集與分析。