當(dāng)每一μA都發(fā)揮其作用

作者/ Jan-Hein Broeders ADI公司醫(yī)療保健業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理

摘要：本文介紹了構(gòu)建檢測心率、心率變化等可穿戴健康設(shè)備所需的技術(shù)以及相應(yīng)的傳感器，并介紹了提高系統(tǒng)的可靠性和能效的技巧。

　　測量多個(gè)參數(shù)、讀數(shù)準(zhǔn)確和電池壽命長，這些對于可穿戴健康設(shè)備而言尤為重要。自從10年前第一臺計(jì)步器上市以來，已經(jīng)發(fā)生很大變化。最初，測量僅關(guān)注計(jì)步功能。十年來的研究結(jié)果表明，每天走路10000步，即可保持卡路里攝入和消耗平衡。同時(shí)，可穿戴設(shè)備增加了其他功能和特性，例如測量心率、心率變化、體溫和皮膚電導(dǎo)率。可穿戴設(shè)備最初是為體育和健康目的而設(shè)計(jì)，但現(xiàn)在正慢慢進(jìn)入醫(yī)療市場。隨著這種轉(zhuǎn)變，我們必須更加依賴測量的準(zhǔn)確性和電池壽命的長短。一塊電池能夠維持設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間越長，越受用戶青睞。

用于心率測量的PPG

　　說到身體健康，我們身體中最重要的器官就是心臟?？梢詫⑺暈槿梭w系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)。沒有運(yùn)行良好的心臟，我們將會面臨嚴(yán)重的健康問題。為此，監(jiān)測心臟功能是重中之重。當(dāng)每分鐘心跳數(shù)超出正常值時(shí)，我們就需要檢查我們的心率。除此之外，我們可以通過心臟的活動頻率獲取大量的心臟行為信息。當(dāng)身體需要進(jìn)行更多活動時(shí)，心率加快，為細(xì)胞帶來更多的營養(yǎng)和含氧血。持續(xù)高心率和心率快速變化不是好事，這可能表示存在房顫等心臟疾病。

　　除了監(jiān)測心臟頻率，還有另外一個(gè)參數(shù)，稱為心率變異性(HRV)。當(dāng)人們放松時(shí)，他們的每分鐘心跳數(shù)并非固定不變，心跳頻率會略有變化，在每分鐘±3次范圍內(nèi)。這種變化表明處于放松狀態(tài)。當(dāng)人們緊張或受驚嚇時(shí)，體內(nèi)的腎上腺素水平上升，心臟開始以變化的頻率跳動。因此，監(jiān)測HRV參數(shù)很重要。

　　獲取心臟信號的經(jīng)典方法是生物電測量心電圖(ECG)。但是，要將其集成于可穿戴設(shè)備中并不容易。

　　測量心率除了利用生物電，還可利用光學(xué)原理。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)存在了很長時(shí)間，稱為光電血管容積圖(PPG)。PPG技術(shù)主要應(yīng)用于測量血液中的血氧飽和度(SPO2)的系統(tǒng)中。SPO2測量是通過身體特定部位(通常是手指或耳垂)發(fā)射兩種不同波長的光，測量氧合血紅蛋白百分比和血紅蛋白總量。由于這項(xiàng)技術(shù)也可以測量心率，所以在可穿戴設(shè)備中應(yīng)用廣泛，例如小型腕戴式設(shè)備，與生物電測量不同，它可使用單點(diǎn)測量拾取心率。ADI公司的ADPD174是一種用于支持這些應(yīng)用的光學(xué)子系統(tǒng)(如圖1)。

反射和透射

　　很多人都熟悉SPO2測量，這可以通過線夾固定在手指或耳垂上來實(shí)現(xiàn)。光是通過身體的某一部分發(fā)送，并在另一端用光電二極管測量接收到的信號。我們利用這種傳輸技術(shù)測量接收到的或不吸收的光量。這項(xiàng)技術(shù)的工作原理在信號性能和功耗方面表現(xiàn)優(yōu)異。但是，在可穿戴系統(tǒng)中集成透射測量也并非易事，因?yàn)閷τ诳纱┐飨到y(tǒng)，舒適非常關(guān)鍵。因此，反射測量更為常用。在反射光學(xué)系統(tǒng)中，光被發(fā)送至組織的表面，一部分被紅細(xì)胞吸收，其余的光反射回組織表面，由光傳感器測量。在反射系統(tǒng)中，接收信號最高不超過60 dB，所以我們需要多加注意發(fā)送和接收信號鏈的電氣和光學(xué)方面。

電子和機(jī)械挑戰(zhàn)

　　心臟跳動期間，血流量發(fā)生變化，導(dǎo)致接收到的反射光發(fā)生散射。用來測量PPG信號的光的波長會隨各種因素而有所不同，首先是測量類型。本文將測量限制在心率及其變化范圍內(nèi)。對于該測量，所需的波長不僅取決于所測量的身體位置，還取決于相關(guān)血流灌注水平、組織溫度和組織的色調(diào)。一般對于腕戴式設(shè)備，動脈不位于手腕頂端，您需要從皮膚表層下的靜脈和毛細(xì)血管來檢測脈動分量。在這些應(yīng)用中，使用綠光使我們能夠更好地接收。在血流充足的地方，如上臂、太陽穴和耳道，紅光或紅外光會更加有效，它可以更深地穿透組織，尤其是對于電池電量和尺寸總是可穿戴式應(yīng)用的難題，紅光或IR LED帶來了額外的優(yōu)勢，它們只需要較低的正向電壓。這些LED可直接由紐扣式電池電壓驅(qū)動。

當(dāng)每一μA都發(fā)揮其作用

　　綠色LED需要更高的正向電壓，所以需要額外的升壓轉(zhuǎn)換器，這將為系統(tǒng)的總功耗帶來不利影響。圖2顯示了不同顏色LED所需的正向電壓與電流的函數(shù)關(guān)系。如果仍需綠色LED，ADP2503降壓/升壓轉(zhuǎn)換器可以幫助支持更高的LED正向電壓，通過輸入電壓可以達(dá)到最高5.5 V，也可低至2.3V。

　　在權(quán)衡考慮時(shí)，如傳感器位置和LED顏色，下一步是選擇最合適的光學(xué)解決方案。關(guān)于模擬前端有很多選擇，分立式或全集成式，也提供大量光傳感器和LED可供選擇。為最大程度減輕設(shè)計(jì)工作量并縮短上市時(shí)間，ADI構(gòu)建了全集成式光學(xué)子系統(tǒng)，用于反射光學(xué)測量。即ADPD174，內(nèi)含進(jìn)行光學(xué)測量所需的全部器件。圖3為ADPD174子系統(tǒng)框圖。該模塊尺寸為6.5 mm × 2.8 mm，對于可穿戴系統(tǒng)極具吸引力。

　　該模塊采用一個(gè)大型光電二極管、兩個(gè)綠色LED和一個(gè)IR LED。板載混合信號ASIC包括模擬信號處理模塊、SAR型ADC、數(shù)字信號處理模塊、I2C通信接口和三個(gè)可編程LED電流源。

　　系統(tǒng)驅(qū)動LED并使用其1.2 mm2光電二極管測量相應(yīng)的光學(xué)返回信號。利用可穿戴設(shè)備測量PPG面臨的最大挑戰(zhàn)就是克服環(huán)境光和運(yùn)動產(chǎn)生偽像的干擾。環(huán)境光會對測量結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。陽光并不是很難抑制，但是來自熒光燈和節(jié)能燈的特殊光包含交流分量，較難消除。ADPD174光學(xué)模塊具有兩級環(huán)境光照抑制功能。在光傳感器和輸入放大器級之后，集成帶通濾波器，后接同步解調(diào)器，可提供一流的抑制環(huán)境光和最高100 KHz直流電干擾功能。ADC具有14位分辨率和最高255的脈沖值，共可獲得20位測量分辨率。累加多個(gè)樣本則可實(shí)現(xiàn)最高27位的分辨率。

　　例如，ADPD174以兩個(gè)獨(dú)立時(shí)隙運(yùn)行，以測量兩個(gè)不同的波長并可按順序執(zhí)行結(jié)果。在每個(gè)時(shí)隙期間，執(zhí)行完整的信號路徑，從LED激勵開始，然后捕獲光信號和處理數(shù)據(jù)。

　　每個(gè)電流源能夠驅(qū)動高達(dá)250 mA的LED。創(chuàng)新的LED脈沖控制方式保持較低的平均功耗，在很大程度上有助于節(jié)省系統(tǒng)的功耗和電池壽命。

　　這種LED驅(qū)動電路的優(yōu)點(diǎn)是，它是動態(tài)可擴(kuò)展的。很多因素都會影響接收光學(xué)信號的信噪比(SNR)，如膚色或傳感器與皮膚間的毛發(fā)，這些都會影響接收端的靈敏度。因此，激勵LED配置非常方便，可用于構(gòu)建自適應(yīng)系統(tǒng)。所有時(shí)序和同步都由模擬前端處理，因此不會增加系統(tǒng)微處理器的任何開銷。正常情況下，可以使用ADPD174以約一毫瓦功率電平執(zhí)行可靠的心率監(jiān)測。為了找到這個(gè)工作點(diǎn)，可以調(diào)諧跨阻放大器(TIA)的增益，并結(jié)合設(shè)置最大LED峰值電流。優(yōu)化LED電流和TIA增益后，我們可以增加LED脈沖的數(shù)量來獲取更多信號。但是，增加LED峰值電流即按比例增加SNR，而增加n倍脈沖數(shù)量，僅會導(dǎo)致n平方根(√n)的SNR改善。

　　找到心率設(shè)備的最佳設(shè)置在很大程度上也依賴于用戶。用戶的膚色和設(shè)備位置、溫度和血液流動都會影響信號強(qiáng)度。計(jì)算功耗時(shí)，光學(xué)前端可以看做兩個(gè)獨(dú)立的功率因素，即IADPD和ILED。IADPD是輸入放大器級、ADC和數(shù)字狀態(tài)機(jī)消耗的電流。這些功率值在很大程度上依賴ADC的采樣率。LED電流(ILED)將隨人體膚色和傳感器在身體上位置而變化。對于深膚色，則需要更多的LED電流;當(dāng)傳感器位于身體血液流動少的位置時(shí)，也需要更多的LED電流。平均LED電流隨LED驅(qū)動脈沖寬度、脈沖數(shù)量和ADC采樣時(shí)間變化。平均LED電流是最大LED電流乘以脈沖寬度和脈沖的數(shù)量?？蓪⑦@視為一個(gè)時(shí)隙，每當(dāng)獲得新樣本時(shí)重復(fù)一次。脈沖寬度可窄至1 μs。

　　若要在手腕上實(shí)現(xiàn)良好的心率測量，當(dāng)使用兩個(gè)寬度為1 μs的脈沖時(shí)，LED峰值電流需要達(dá)到125 mA。對于100 Hz采樣頻率，平均LED驅(qū)動需要25 μA。當(dāng)我們增加250 μA平均AFE電流時(shí)，光學(xué)前端消耗275 μA (@ 3 V = 825 μW)。

其他機(jī)械挑戰(zhàn)

　　進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了環(huán)境光干擾，另一個(gè)大難題是在反射模式光學(xué)系統(tǒng)中解決內(nèi)部光污染問題。在一個(gè)設(shè)計(jì)完美的系統(tǒng)中，LED發(fā)出的所有光都被發(fā)送至組織，且僅能看到反射光，并由光傳感器進(jìn)行測量。但在現(xiàn)實(shí)中，LED燈光會被外殼上的透明窗反射，并在未穿透L1和L2光路徑組織的情況下直接送回光傳感器(如圖4)。

　　這種ILP效應(yīng)導(dǎo)致直流失調(diào)，并將限制信號的交流分量，也稱為調(diào)制指數(shù)(MI)。實(shí)際上，MI是我們唯一感興趣的信號。ILP可通過分離窗口解決，但是，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)非常困難和昂貴。ADPD174可以解決這個(gè)問題。它具有特殊設(shè)計(jì)的外殼，無需分離外殼上的透明窗即可減少ILP行為。圖5中顯示了ADPD174與其前代產(chǎn)品相比，ILP減少和LED電流函數(shù)關(guān)系的改進(jìn)情況。這是與市場上其他分立式或集成式設(shè)備相比的另一優(yōu)勢。

系統(tǒng)總功耗

　　在光學(xué)系統(tǒng)中，除了光照干擾，還需要消除運(yùn)動造成的干擾。運(yùn)動會影響可穿戴系統(tǒng)的總體性能，由于運(yùn)動，機(jī)械連接或與組織的接觸狀態(tài)會改變，造成光學(xué)讀數(shù)誤差。因此，測量設(shè)備的運(yùn)動并彌補(bǔ)干擾造成的影響是很重要的。ADI超低功耗3軸ADXL362 MEM傳感器完全支持這些需求。傳感器測量所有三軸并集成12位SAR ADC，使靈敏度達(dá)到每個(gè)LSB只有1 mg，并能夠通過數(shù)字SPI接口進(jìn)行通信。功耗與ADC采樣率成比例，每軸數(shù)據(jù)輸出速率為100 Hz，傳感器功耗僅為1.8 μA。它可采用3 mm × 3 mm封裝。繼ADXL362，新一代產(chǎn)品仍在開發(fā)中，僅是ADXL362 PCB面積的四分之一。

缺了“粘合劑”

　　到目前為止，我們已經(jīng)討論了構(gòu)建監(jiān)測心率和心率變化的可穿戴健康設(shè)備所需的各種傳感器。還缺的是系統(tǒng)的核心，將所有這些傳感器連接在一起，運(yùn)行所需軟件算法并存儲、可視化或傳輸結(jié)果的部分。ADI公司最新推出的ADuCM3027/ADuCM3029 Cortex?-M3處理器，能夠支持所有這些需求。它是一款超低功耗、混合信號微控制器，處理功能的功耗小于38 μA/MHz。該處理器具有最大26 MHz的時(shí)鐘頻率，具有四種功率運(yùn)行模式：

　　1)有效模式< 38 μA/MHz(所有模擬和數(shù)字工作);

　　2)靈活模式< 11.5 μA/MHz(模擬有效，內(nèi)核通過時(shí)鐘選通，MCU關(guān)閉);

　　3)休眠模式<900 nA(RTC運(yùn)行，喚醒中斷有效，SRAM保留);

　　4)關(guān)斷模式<60 nA (模擬/數(shù)字深度休眠，僅喚醒中斷有效)。

　　混合信號前端包括12位SAR型ADC、基準(zhǔn)電壓緩沖和溫度傳感器。電路板上有128 KB或256 KB的板載閃存，4KB高速緩存和64KB的SRAM。在防止未經(jīng)授權(quán)用戶通過外部接口讀取設(shè)備內(nèi)容方面做出了極大努力，這對于設(shè)備制造商保護(hù)其代碼和算法具有巨大的價(jià)值。ADuCM302x還可在1.8 V到3.6 V間的單操作電壓下運(yùn)行，1.2 V的內(nèi)核電壓可由板載LDO或其更高效的開關(guān)電容降壓轉(zhuǎn)換器生成。

　　要將測量結(jié)果無線上傳至主機(jī)處理器，需要消耗系統(tǒng)大量電能。預(yù)處理測量結(jié)果將有助于減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。這能夠節(jié)省更多電能。

小結(jié)

　　ADI高度重視傳感器和混合信號解決方案，重點(diǎn)關(guān)注高性能和低功耗。利用這些芯片和子系統(tǒng)可以針對健康以及運(yùn)動和保健市場需求創(chuàng)建相關(guān)設(shè)備，這些設(shè)備僅憑單顆紐扣電池供電，即可運(yùn)行很長時(shí)間。面對的挑戰(zhàn)始終是構(gòu)建的系統(tǒng)要具有足夠高的性能，同時(shí)功耗盡可能低。自適應(yīng)算法有助于提高整體性能并找到最有效的系統(tǒng)低功耗位置。每次使用設(shè)備時(shí)，可以小幅更改設(shè)置，以達(dá)到最佳SNR性能和功耗量的相關(guān)HRM精度。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第25頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。