作者：Dr. János Pálhalmi (PhD) and Jan-Hein Broeders

光電容積脈搏波 （PPG） 是測(cè)量血氧飽和度 （SPO） 的常用技術(shù)2）血液中的水平。光由光發(fā)射器發(fā)送到體內(nèi)，并用光接收器測(cè)量反射光或未吸收的光量。根據(jù)兩個(gè)波長(zhǎng)之間的比例，可以測(cè)量氧合血紅蛋白的量。類(lèi)似的技術(shù)也用于通過(guò)光學(xué)技術(shù)或心率變異性測(cè)量心率。

所有這些系統(tǒng)都需要一個(gè)或多個(gè)需要控制的光發(fā)射器，以及一個(gè)光電探測(cè)器來(lái)測(cè)量光電流量作為接收光的量度。該接收信號(hào)最終需要放大、調(diào)理和數(shù)字化。這樣的光學(xué)系統(tǒng)聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單;然而，由于缺少光學(xué)知識(shí)，檢索光信號(hào)非常容易，這與用戶(hù)正在尋找的信號(hào)沒(méi)有任何關(guān)系。

為了幫助公司實(shí)現(xiàn)其光學(xué)目標(biāo)，我們推出了一種新的、完全集成的光學(xué)模塊。它已經(jīng)過(guò)測(cè)試，并與久經(jīng)考驗(yàn)的分立光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了比較，并具有出色的結(jié)果。

隨著對(duì)家庭健康、保健和預(yù)防的日益關(guān)注，圍繞用于跟蹤幾個(gè)重要參數(shù)的智能設(shè)備誕生了一個(gè)新的市場(chǎng)。最初，這始于胸帶 - 使用生物電勢(shì)技術(shù)監(jiān)測(cè)心率 - 但在過(guò)去的五到八年中，利用光電容積脈搏波（PPG）向光學(xué)系統(tǒng)帶來(lái)了重大轉(zhuǎn)變。這項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是我們可以在身體的單個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而生物電勢(shì)系統(tǒng)需要至少兩個(gè)電極來(lái)測(cè)量整個(gè)心臟。這不是非常用戶(hù)友好，因此，對(duì)光學(xué)心率監(jiān)測(cè)（HRM）和監(jiān)測(cè)心率變異性（HRV）的興趣急劇增加。

在設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)時(shí)，有幾個(gè)問(wèn)題需要回答。最終應(yīng)用是什么，您想在身體的哪個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，以及您有多少時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)？根據(jù)這些問(wèn)題的答案，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)遵循特定的設(shè)計(jì)路線(xiàn)。

測(cè)量PPG有兩種不同的原則。您可以通過(guò)身體的某個(gè)部位（例如手指或耳垂）發(fā)送光，并測(cè)量對(duì)面接收或未吸收的光量;或者光在測(cè)量反射光量的身體的同一側(cè)發(fā)送。與反射系統(tǒng)相比，通過(guò)身體傳輸進(jìn)行測(cè)量可提供大約 40 dB 至 60 dB 的信號(hào);但是，在反射系統(tǒng)中，您可以自由選擇傳感器的放置位置。

圖1.光學(xué)HRM/HRV系統(tǒng)的經(jīng)典框圖。

由于大多數(shù)用戶(hù)更喜歡傳感器的舒適性而不是性能，因此反射測(cè)量變得更加流行。因此，本文將僅關(guān)注反射式測(cè)量。

在心跳的時(shí)間跨度內(nèi)，心臟系統(tǒng)中的血液流量和體積會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致接收到的反射光量散射。用于測(cè)量光學(xué)HRM/HRV的光源波長(zhǎng)不僅取決于測(cè)量身體的位置，還取決于相對(duì)灌注水平以及組織的溫度和色調(diào)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于佩戴在手腕上的設(shè)備，動(dòng)脈不在手腕頂部，您需要從皮膚表面下方的靜脈和毛細(xì)血管中拾取脈動(dòng)成分。在這種情況下，綠燈效果最好。在血流量充足的地方，如上臂、太陽(yáng)穴或耳道，紅光或紅外光可能更有效，因?yàn)樗鼈儠?huì)更深入地穿透組織，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的接收信號(hào)。

ADPD188改變游戲規(guī)則了嗎

在權(quán)衡傳感器位置和LED波長(zhǎng)等時(shí)，您需要選擇最合適的光學(xué)解決方案。在模擬前端方面有很多選擇，無(wú)論是分立構(gòu)建的還是完全集成的，但也有多種光電探測(cè)器和LED可供選擇。關(guān)鍵是要以這樣一種方式放置發(fā)射器和接收器，以便為使用的每一毫安發(fā)射電流獲得最大數(shù)量的接收信號(hào)。這稱(chēng)為電流傳輸比，通常以nA/mA為單位。在光學(xué)系統(tǒng)中同樣重要的是調(diào)制指數(shù)，即交流信號(hào)量與光直流偏移的關(guān)系。當(dāng)您增加光電傳感器和 LED 之間的間距時(shí)，調(diào)制指數(shù)會(huì)提高。在光電探測(cè)器和LED之間的距離上存在一定的最佳點(diǎn)，這也取決于LED波長(zhǎng)。在設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械系統(tǒng)中，LED光可以直接到達(dá)光電傳感器，而不會(huì)穿透組織。這會(huì)導(dǎo)致直流失調(diào)，從而對(duì)調(diào)制指數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響。它表現(xiàn)為光串?dāng)_，也稱(chēng)為內(nèi)部光污染（ILP）。

為了最大限度地減少設(shè)計(jì)工作并縮短上市時(shí)間，特別是對(duì)于光學(xué)知識(shí)很少的公司，ADI公司構(gòu)建了一個(gè)完全集成的反射測(cè)量光學(xué)子系統(tǒng)。這稱(chēng)為ADPD188GG，包含運(yùn)行光學(xué)測(cè)量所需的一切。

ADPD188GG是一款全新設(shè)計(jì)的光學(xué)模塊，與前幾代產(chǎn)品相比，尺寸不同。外形幾乎是方形的，3.98 毫米 x 5.0 毫米，總厚度為 0.9 毫米。最大的改進(jìn)是光電探測(cè)器，它比其前身旋轉(zhuǎn)了 90°。相對(duì)于 LED，此傳感器位置提供了更好的靈敏度。光電傳感器本身已拆分為0.4毫米的尺寸2和 0.8 毫米2.這提供了靈活性，既可以增加整體光電二極管表面以提高靈敏度，也可以使用較小尺寸的檢測(cè)器來(lái)防止傳感器飽和。光電二極管放置在模擬前端的頂部。ADI公司正在使用獨(dú)立的ADPD1080 AFE。它具有四個(gè)輸入通道，每個(gè)通道圍繞一個(gè)具有可選增益（25k、50k、100k 和 200k）的跨阻放大器、一個(gè)環(huán)境光抑制模塊和一個(gè) 14 位 SAR ADC 設(shè)計(jì)。環(huán)境光抑制是在模擬域中完成的，與市場(chǎng)上的其他解決方案相比非常出色。最后，兩個(gè)綠色LED由集成電流源控制，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)370 mA的電流，脈沖窄至1 μs，以降低整體平均電流。該封裝的設(shè)計(jì)方式使得透射的LED光在不穿透組織的情況下幾乎無(wú)法到達(dá)光電傳感器。這可以防止光串?dāng)_，并為用戶(hù)提供最佳的調(diào)制指數(shù)，即使傳感器放置在玻璃或塑料窗口下也是如此。在設(shè)計(jì)光學(xué)反射系統(tǒng)時(shí)，這是一個(gè)很棒的功能。對(duì)于首選透射式測(cè)量的應(yīng)用，ADPD188GG可與外部連接的LED一起使用，并繞過(guò)內(nèi)部LED。

與經(jīng)驗(yàn)證的解決方案的比較

在開(kāi)始新的光學(xué)設(shè)計(jì)之前，確定最終產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)和所需規(guī)格非常重要。與用于運(yùn)動(dòng)和健康市場(chǎng)的設(shè)備相比，具有醫(yī)療級(jí)性能的光學(xué)系統(tǒng)通常具有更高的規(guī)格。

ADPD107是一款模擬光學(xué)前端，專(zhuān)為分立式光學(xué)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它被認(rèn)為是市場(chǎng)上光學(xué)前端的黃金標(biāo)準(zhǔn)，由于其良好的性能，它被用于許多醫(yī)療產(chǎn)品。DataSenseLabs Ltd.在ADPD107方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是，由于在某些用例中完全集成的光模塊具有優(yōu)勢(shì)，因此它開(kāi)始使用它們并進(jìn)行比較分析，將ADPD107的性能與ADPD188GG集成光模塊進(jìn)行比較。在以下部分中，您將閱讀有關(guān)測(cè)試設(shè)置、配置和結(jié)果的更多信息。

測(cè)試設(shè)置和數(shù)據(jù)收集

為了進(jìn)行光學(xué)比較，在2分鐘內(nèi)與ADPD188GG和ADPD107同時(shí)記錄原始PPG讀數(shù)。對(duì)于ADPD188GG設(shè)置，使用了標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估板，其中ADPD107是可穿戴演示平臺(tái)（EVAL-HCRWATCH）內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)的一部分。這兩個(gè)系統(tǒng)均由ADI公司的用戶(hù)界面應(yīng)用wavetool軟件控制。

在測(cè)試中，配置設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最高的信號(hào)質(zhì)量。我們將AFE的配置（包括LED脈沖、時(shí)序和跨阻增益）保持在特定范圍內(nèi)，以便在兩個(gè)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)相同的功耗，以獲得公平的比較（見(jiàn)表1）。

表1顯示了ADPD188GG LED電流，是ADPD107設(shè)置中LED電流的兩倍。原因是集成解決方案的光電二極管表面小于分立解決方案的表面，因此我們必須對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。采用2個(gè)LED由3 V電源供電，總功耗增加156 μW，與總功耗相比幾乎可以忽略不計(jì)。我們 以 100 Hz 的 速率 對(duì) ADC 進(jìn)行 采樣， 這 在 可 穿戴 系統(tǒng) 中很常見(jiàn)。此外，我們以500 Hz的采樣率進(jìn)行測(cè)量，這通常用于具有臨床性能的系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)記錄是在與普通智能手表或健身追蹤器相同的情況下進(jìn)行的，光學(xué)傳感器連接到手腕頂部。由于慣用手和非慣用手的皮下層之間的微循環(huán)和血管收縮特性可能略有不同，因此兩種光學(xué)系統(tǒng)在雙腕上重復(fù)記錄。從左右手腕收集的數(shù)據(jù)集進(jìn)行了仔細(xì)分析和比較，以避免特定位置對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。PPG數(shù)據(jù)集記錄在11個(gè)不同的用戶(hù)（受試者）上，當(dāng)他們坐著并在相同的環(huán)境光強(qiáng)度條件下。

數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)

采用比較方法非常重要，因?yàn)樾盘?hào)質(zhì)量驗(yàn)證不僅意味著硬科學(xué)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)，而且還與市場(chǎng)和最終用戶(hù)的期望有關(guān)。為了在可穿戴市場(chǎng)取得成功，您需要明確的用例和明確的目標(biāo)，即您希望從光信號(hào)中獲得什么結(jié)果。

光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器與健身跟蹤和健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用密切相關(guān)，但在醫(yī)療級(jí)系統(tǒng)中可以找到光學(xué)技術(shù)的許多用例。在健身、健康信息學(xué)或醫(yī)療相關(guān)用例中，峰值檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性主要取決于PPG信號(hào)局部最大值附近的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量。準(zhǔn)確的峰值檢測(cè)不僅是心率或HRV測(cè)量的原理，對(duì)于基于PPG的血壓估計(jì)檢測(cè)也極為重要。因此，如果最終提取和計(jì)算的PPG信號(hào)應(yīng)該支持健康相關(guān)應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員必須選擇能夠提供最佳物理信號(hào)質(zhì)量的傳感器平臺(tái)。比較測(cè)量配置和數(shù)據(jù)分析是根據(jù)János Pálhalmi擁有的生物信號(hào)計(jì)量專(zhuān)利（申請(qǐng)ID：P1900302）設(shè)計(jì)和進(jìn)行的。1

最終結(jié)果

為了支持峰值檢測(cè)算法，可以輕松減去和過(guò)濾PPG原始數(shù)據(jù)中的基線(xiàn)波動(dòng)。同時(shí)，在原始數(shù)據(jù)級(jí)別需要峰周?chē)母咝盘?hào)質(zhì)量，以提取上述目標(biāo)結(jié)果。這就是為什么在這項(xiàng)研究中，我們專(zhuān)注于對(duì)黃金標(biāo)準(zhǔn)ADPD107和新的集成ADPD188GG光模塊測(cè)量的PPG信號(hào)峰值周?chē)闹饕l段進(jìn)行比較分析。信號(hào)的主要成分沒(méi)有被修改，除了非常緩慢的基線(xiàn)波動(dòng)（<0.25赫茲）和高頻分量（>40赫茲），它們被濾波。

計(jì)算小波相干性和相關(guān)性比較，以比較兩個(gè)信號(hào)在最主要頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。圖3顯示了兩個(gè)PPG系統(tǒng)在單個(gè)波形及其平均值水平上的結(jié)果模式幾乎相同。

圖3.提取單個(gè)PPG波形（局部最大值周?chē)摹?25個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）并繪制在彼此之上（藍(lán)色虛線(xiàn)）。波形的集成平均值由紅線(xiàn)表示。該圖顯示了ADPD188GG和ADPD107分立解決方案記錄的PPG信號(hào)之間的基本相似性。

為了繼續(xù)在深度數(shù)據(jù)級(jí)別進(jìn)行比較，應(yīng)用了兩種不同的基于相關(guān)性的方法。計(jì)算每個(gè)即將到來(lái)的PPG波之間的相關(guān)系數(shù)和P值（R，P）。通過(guò)將每個(gè)單獨(dú)的PPG波形與平均值進(jìn)行比較，還測(cè)試了信號(hào)的另一種變異性。

基于全面的相關(guān)測(cè)試，我們可以得出結(jié)論，無(wú)論是在單個(gè)波形的水平上，還是在單個(gè)波形與平均值的水平上，都不可能觀察到兩個(gè)比較的PPG系統(tǒng)之間的任何顯著差異。

小波方法對(duì)特定頻段的差異非常敏感。因此，計(jì)算小波相干函數(shù)以比較兩個(gè)PPG信號(hào)。根據(jù)在所有11名受試者中分析的結(jié)果，在頻域或兩個(gè)信號(hào)之間的相域中沒(méi)有觀察到顯著差異（見(jiàn)圖4）。

圖4.兩個(gè)比較PPG信號(hào)的集成平均值之間的幅度平方相干性由時(shí)域和頻域中的顏色強(qiáng)度圖顯示。箭頭的方向與信號(hào)之間的相位差成正比。向右的水平箭頭表示信號(hào)之間沒(méi)有相位差。1

在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，查看可以從給定信號(hào)中提取的特定頻段也可能會(huì)有所幫助，以便能夠優(yōu)化規(guī)格。

在該測(cè)試中，分析了兩個(gè)比較PPG系統(tǒng)之間幅度平方相干性的基本統(tǒng)計(jì)特性，如圖5所示。整個(gè)頻譜分為六個(gè)特定的頻率范圍，以分析信號(hào)之間相似性的可變性。

圖5.幅度平方小波相干值的描述性統(tǒng)計(jì)特性顯示在從0 Hz到20 Hz的四個(gè)相關(guān)頻率范圍內(nèi)。

對(duì)于所有11名受試者，在PPG信號(hào)峰值周?chē)乃蓄l段內(nèi)，相干值均高于0.95，這告訴我們黃金標(biāo)準(zhǔn)與新的集成ADPD188GG之間存在非常高的相似性。

結(jié)論

ADPD188GG是一款完全集成的光學(xué)模塊，用于測(cè)量心率、心率變異性和血氧飽和度，并監(jiān)測(cè)連續(xù)血壓估計(jì)。由于該模塊在一個(gè)微小的封裝中包括光學(xué)器件和電子器件，因此它可以幫助設(shè)計(jì)人員和沒(méi)有光學(xué)知識(shí)的公司縮短其整體設(shè)計(jì)周期。該模塊針對(duì)使用反射式測(cè)量方法和 525 nm 波長(zhǎng)的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化;但是，外部LED也可用于測(cè)量不同波長(zhǎng)或基于透射原理進(jìn)行測(cè)量。我們已經(jīng)證明，集成系統(tǒng)并不限制我們滿(mǎn)足院外或臨床系統(tǒng)中各種用例所需的規(guī)格。

審核編輯：郭婷