所有這些系統都需要使用一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射器（需要控制），以及一個(gè)光電探測器來(lái)測量光電流量，由此測量接收到的光量。這個(gè)接收信號最終需要放大、調節，并數字化。聽(tīng)起來(lái)這種光學(xué)系統似乎非常簡(jiǎn)單；但是，在缺少光學(xué)知識的情況下，很容易檢索到與用戶(hù)尋找的信號毫不相關(guān)的光學(xué)信號。

 

為了幫助公司達成光學(xué)目標，我們新推出了一款全集成式光學(xué)模塊。該模塊經(jīng)過(guò)測試并與成熟的分立式光學(xué)系統進(jìn)行對比，結果相當出色。我們將詳細介紹本次測試的結果和所用方法。

 

PPG測量理論和介紹

 

隨著(zhù)對家庭健康、保健和預防的關(guān)注提高，圍繞智能設備形成了一個(gè)新的市場(chǎng)，用于跟蹤多項生命體征參數。首先是胸帶，該設備使用生物電勢技術(shù)來(lái)監測心率，但最近的5到8年，市場(chǎng)普遍轉向光學(xué)系統，開(kāi)始利用光電容積脈搏波(PPG)。這項技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)是我們可以在人體上取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，而生物電勢系統最少需要使用兩個(gè)電極才能對心臟實(shí)施測量。對用戶(hù)而言，這不是很方便，因此，對光學(xué)心率監測(HRM)和心率變異性(HRV)監測的關(guān)注急劇增加。

 

在設計這樣的系統之前，需要先搞清楚幾個(gè)問(wèn)題。最終應用是什么？您想要在人體的哪個(gè)部位實(shí)施測量？您有多少時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)系統？根據這些問(wèn)題的答案，設計人員可能采用不同的設計路徑。

 

測量PPG采用兩種不同的原則。您可以讓光通過(guò)身體的某個(gè)部位，例如手指或耳垂，然后在反面測量接收到或未吸收的光量；或者，在身體的同一側發(fā)射光并測量反射的光量。與反射系統相比，測量通過(guò)人體的光量得出的信號量大約多出40 dB至60 dB；但是，采用反射系統時(shí)，您可以隨意選擇放置傳感器的位置。

 

圖1.光學(xué)HRM/HRV系統的典型框圖

 

由于大部分用戶(hù)更重視傳感器舒適度，而不是性能，所以反射測量方法更受歡迎。所以，本文只介紹反射測量技術(shù)。

 

心臟跳動(dòng)期間，心臟系統中的血流量發(fā)生變化，導致接收到的反射光發(fā)生散射。用于測量光學(xué)HRM/HRV的光源的波長(cháng)不止取決于人體測量點(diǎn)，還取決于相對灌注水平，以及組織的溫度和色調。一般，對于腕戴式設備，動(dòng)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(lái)檢測脈動(dòng)分量。在這種情況下，綠色光表示最佳結果。在有足夠血液流動(dòng)的位置，例如上臂、太陽(yáng)穴或耳道，使用紅色光或紅外光可能更有效，它們可以更深入地穿透組織，給出更強勁的接收信號。

 

ADPD188 游戲規則正在改變？

 

在權衡考慮時(shí)，如傳感器位置和LED波長(cháng)，您需要選擇最合適的光學(xué)解決方案。關(guān)于模擬前端有很多選擇，可以選擇分立式或全集成式，也提供大量光電探測器和LED可供選擇。關(guān)鍵在于發(fā)射器和接收器的放置方式有利于每毫安發(fā)射電流獲取最大量的接收信號。這就是所謂的電流傳輸比，通常用nA/mA表示。在光學(xué)系統中，調制指數同樣重要，它是交流信號相對于光學(xué)直流偏置的量。增大光傳感器和LED之間的距離時(shí)，調制指數增大。在光電探測器和LED之間存在一個(gè)最佳點(diǎn)，這也取決于LED波長(cháng)。在設計不當的機械系統中，LED光可以不穿透人體組織，直接到達光傳感器。這會(huì )導致直流偏置，對調制指數產(chǎn)生不利影響。它表現為光串擾，也稱(chēng)為內部光污染(ILP)。

 

為最大程度減輕設計工作量并縮短上市時(shí)間，特別是對于缺乏光學(xué)知識的公司，ADI公司構建了全集成式光學(xué)子系統，用于反射測量。即ADPD188GG，內含進(jìn)行光學(xué)測量所需的全部器件。圖2所示為此模塊的照片。

 

圖2.ADPD188GG光學(xué)子系統

 

ADPD188GG是一種全新設計的光學(xué)模塊，與前代模塊相比尺寸不同。其外形幾乎呈方形，尺寸為3.98 mm x 5.0 mm，總體厚度為0.9 mm。改動(dòng)最大的部分是光電探測器，與前代產(chǎn)品相比，方向旋轉了90°。相對于LED，這種傳感器位置可以提供更高的靈敏度。光傳感器本身分為0.4 mm2和0.8 mm2。這提供了靈活性，可以增加整體光二極管表面，以實(shí)現更高靈敏度，或者可以使用更小巧的檢測器來(lái)防止傳感器達到飽和。光電二極管被放置在模擬前端上面。ADI正在使用獨立的ADPD1080AFE。它有4個(gè)輸入通道，每個(gè)通道都圍繞具備可選增益（25k、50k、100k和200k）的互阻放大器、環(huán)境光抑制塊和一個(gè)14位SAR ADC設計。環(huán)境光抑制在模擬域完成，相比市面上的其他解決方案，性能更為出色。最后，兩個(gè)綠色LED受集成電流源管控，能夠驅動(dòng)高達370 mA的電流和1 μs窄脈沖，以降低總體的平均電流。封裝設計使得發(fā)射的LED光在不穿透人體組織的情況下，很難到達光傳感器。這可以防止出現光串擾，為用戶(hù)提供最佳調制指數，即使傳感器放置在玻璃或塑料窗口之下。設計光學(xué)反射系統時(shí)，這個(gè)特性非常有用。對于更適合采用發(fā)射測量的應用，ADPD188GG可以繞過(guò)內部LED，與外部連接的LED配合使用。

 

與成熟解決方案比較

 

在開(kāi)始新光學(xué)設計之前，需要先確定目標市場(chǎng)，以及最終產(chǎn)品所需的規格，這非常重要。一般來(lái)說(shuō)，相對于用于體育和保健市場(chǎng)的設備，具有醫療級性能的光學(xué)系統規格更高。

 

ADPD107是一種模擬光學(xué)前端，適用于分立式光學(xué)系統。在市面光學(xué)前端中，它被視為典范產(chǎn)品，憑借出色性能廣泛用于多種醫療產(chǎn)品中。DataSenseLabs Ltd.具備與ADPD107相關(guān)的豐富經(jīng)驗。但是，由于全集成式光學(xué)模塊在某些用例中具備一定優(yōu)勢，所以DataSenseLabs Ltd.開(kāi)始研究這些模塊并進(jìn)行比較分析，比較ADPD107與ADPD188GG集成光學(xué)模塊之間的性能。接下來(lái)，我們將詳細介紹測試設置、配置和測試結果。

 

測試設置和數據收集

 

為了實(shí)施光學(xué)比較，我們在2分鐘時(shí)間里，同時(shí)記錄ADPD188GG和ADPD107的原始PPG讀數。設置ADPD188GG時(shí)，使用了標準評估板，而ADPD107是可穿戴演示平臺(EVAL-HCRWATCH)內部的光學(xué)系統的組成部分。兩種系統都由ADI公司的用戶(hù)界面應用wavetool軟件控制。

 

為了實(shí)施測試，對配置設置實(shí)施優(yōu)化，以獲得最高的信號質(zhì)量。我們保留了AFE配置，包括將LED脈沖、時(shí)序和互阻增益保持在特定范圍，令兩種系統保持相同的功耗，以進(jìn)行公平的比較（參見(jiàn)表1）。

 

表1.ADPD188GG和典范產(chǎn)品ADPD107之間的光學(xué)模塊比較

 

表1顯示ADPD188GG LED電流，其數量高達ADPD107設置中LED電流的2倍。原因在于，集成解決方案的光電二極管表面小于分立式解決方案的表面，必須進(jìn)行補償。采用兩個(gè)由3 V電源供電的LED會(huì )令整體功耗增加156 μW，與整體功耗相比，幾乎可以忽略不計。我們按100 Hz速率對ADC采樣，這在可穿戴系統中非常常見(jiàn)。此外，我們按500 Hz采樣速率進(jìn)行測量，該值常用于具備臨床性能的系統。

 

數據記錄環(huán)境與常規智能手表或健身跟蹤器所處的環(huán)境相同，只是光學(xué)傳感器位于手腕上方。由于慣用手和非慣用手皮下層的微循環(huán)和血管收縮特性稍有不同，所以?xún)蓚€(gè)光學(xué)系統會(huì )反復記錄兩只手腕的數據。然后仔細分析和比較從左右手腕收集的數據集，以避免因為放置位置對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響。PPG數據集來(lái)源于11位不同的用戶(hù)（受試者），這些用戶(hù)都保持坐姿，處于相同的環(huán)境光密度條件下。

 

數據分析和統計

 

采用比較方法非常重要，因為信號質(zhì)量驗證不止意味著(zhù)要進(jìn)行硬科學(xué)信號處理、數據分析和統計，還要分析市場(chǎng)和最終用戶(hù)的期望要求。要在可穿戴市場(chǎng)獲得成功，您需要采用定義明確的案例，并且清楚知道通過(guò)光學(xué)信號想要獲得什么樣的結果。

 

光學(xué)心率監測器與健身跟蹤和健康狀況監測應用密切相連，但也有許多將光學(xué)技術(shù)用于醫療級系統的使用案例。在健身、衛生信息學(xué)或與醫療相關(guān)的使用案例中，峰值檢測算法的精度主要取決于原始數據質(zhì)量，與PPG信號的局部極大值相關(guān)。準確的峰值檢測不僅是實(shí)施心率或HRV測量的原則，在實(shí)施基于PPG血壓的估算檢測時(shí)也極為重要。所以，如果最終提取和計算的PPG信號要用于支持健康類(lèi)應用，那么設計人員必須選擇提供最佳物理信號質(zhì)量的傳感器平臺。比較測量配置和數據分析基于János Pálhalmi的生物信號計量專(zhuān)利（待決ID：P1900302）設計和施行。1

 

最終結果

 

為了支持峰值檢測算法，可以輕松提取和過(guò)濾PPG原始數據中的基線(xiàn)波動(dòng)。同時(shí)，如上所述，要提取目標結果，需要峰值在原始數據級別也具備高信號質(zhì)量。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注主要頻段比較分析，目標是由典范產(chǎn)品ADPD107和新集成的ADPD188GG光學(xué)模塊測量的PPG信號峰值。信號的主要部分未改動(dòng)，但非常緩慢的基線(xiàn)波動(dòng)(<0.25 Hz)和高頻分量(>40 Hz)已過(guò)濾。

 

圖3.提取單獨的PPG波形（局部極大值周?chē)?plusmn;125數據點(diǎn)），并彼此重疊比較（藍色點(diǎn)線(xiàn)）。

波形的總體平均值用紅線(xiàn)表示。上圖顯示了由ADPD188GG和ADPD107分立式解決方案

記錄的PPG信號之間的相似性。

 

計算子波相干性和相關(guān)比較，以比較最主要頻率范圍內兩個(gè)信號之間的穩定性。圖3顯示，兩種PPG系統在單個(gè)波形及其平均值上的結果模式幾乎相同。

 

為了繼續在更深層次的數據水平上比較，我們采用了兩種不同的基于相關(guān)性的方法。計算每個(gè)即將推出的PPG波形之間的相關(guān)系數和P值（R、P）。還可以通過(guò)比較每個(gè)單獨的PPG波形與平均值來(lái)測試另一種信號差異。

 

基于綜合相關(guān)測試，我們可以得出結論：兩種接受比較的PPG系統之間不可能出現巨大差異，不論是在單個(gè)波形級別，還是單個(gè)波形與平均值的比較級別。

 

子波方法對特定頻段內的差異非常敏感。因此，我們計算了子波相干性函數，以比較兩種PPG信號?；谒?1位受試者的分析結果，兩個(gè)信號的頻率域或相位域之間不存在明顯差別（參見(jiàn)圖4）。

 

圖4.兩個(gè)接受比較的PPG信號的總體平均值之間的幅度方波相干性由時(shí)間域和頻率域中的顏色強度圖表示。箭頭方向與信號之間的相位差成正比。方向向右的水平信號表示信號之間不存在相位差。1

 

開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，查看特定的頻段也可能有用，這些頻段提取自給定信號，可用于優(yōu)化產(chǎn)品規格。

 

在本測試中，在所有相關(guān)頻率范圍內，對接受比較的兩種PPG系統之間的幅度方波相干性的基礎統計特性進(jìn)行分析，如圖5所示。整個(gè)頻譜被分為6個(gè)特定的頻率范圍，以分析各信號之間的相似性差異。

 

對于所有11位受試者，在PPG信號峰值周?chē)乃蓄l段內，其相干性值都高于0.95，這表示，典范產(chǎn)品和新集成的ADPD188GG之間相似度非常高。

 

圖5.幅度方波子波相干性值的描述性統計特性在4個(gè)相關(guān)頻率范圍（0 Hz至20 Hz）內顯示。1

 

結論

 

ADPD188GG是ADI公司一款全集成式光學(xué)模塊，用于測量心率、心率變異性和氧飽和度，并監測連續的血壓估算。由于該模塊將光學(xué)和電子器件都集成在微型封裝內，所以可以幫助缺乏光學(xué)知識的設計人員和公司縮短總設計周期。該模塊針對采用反射測量方法，且波長(cháng)為525 nm的應用實(shí)施優(yōu)化；但是，外部LED也可用于在不同波長(cháng)下測量，或基于發(fā)射原理測量。我們已經(jīng)證明，集成系統不妨礙我們滿(mǎn)足院外系統或臨床系統中各個(gè)使用案例需要的規格。

 

有關(guān)更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)analog.com/healthcare。

 

參考資料

 

1 János Pálhalmi。生物信號計量專(zhuān)利，P1900302。

 

作者簡(jiǎn)介

 

DataSenseLabs Ltd.的János Pálhalmi博士是一名神經(jīng)科學(xué)家、計量學(xué)家，擁有健康科學(xué)學(xué)位。作為一名編程人員，他專(zhuān)注于生物信號處理和數據分析。János在電生理學(xué)和光學(xué)生物傳感器信號分析方面擁有20多年的經(jīng)驗，涉及分子和細胞水平分析以及人類(lèi)健康相關(guān)應用。

 

從2017年底開(kāi)始，他和他的公司DataSenseLabs Ltd. (datasenselabs.net)一直與ADI公司的醫療健康業(yè)務(wù)部門(mén)在可穿戴生物信號評估和分類(lèi)領(lǐng)域展開(kāi)合作。他的目標是幫助合作伙伴在健康狀態(tài)監測應用中找到適合預防預測的高質(zhì)量解決方案。

 

Jan-Hein Broeders是ADI公司負責歐洲、中東和非洲市場(chǎng)醫療健康業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)經(jīng)理。他與醫療健康行業(yè)密切合作，將他們現在和將來(lái)的需求轉化為各種解決方案，這些方案基于A(yíng)DI公司市場(chǎng)領(lǐng)先的線(xiàn)性和轉換器技術(shù)和數字信號處理與電源產(chǎn)品。20多年前，Jan-Hein開(kāi)始從事半導體行業(yè)，擔任ADI公司的現場(chǎng)應用工程師，自2008年起開(kāi)始擔任目前的醫療健康部門(mén)職務(wù)。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：jan.broeders@analog.com。

 

 

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