用于可穿戴健康设备的新一代产品如何使系统更可靠、更节能

测量多个参数、准确的读数和较长的电池寿命——这些是可穿戴健康设备最关键的参数。

自从10年前第一款计步器上市以来，很多事情都发生了变化。最初，测量只关注步数计数。已经对十年进行了研究，结果是每天 10，000 步可以在卡路里摄入量与燃烧的卡路里量之间取得良好的平衡。同时，可穿戴设备还增加了其他功能和特性，例如测量心率、心率变异性、体温和皮肤电导率。可穿戴设备最初用于运动和健康目的，现在正缓慢地走向更多的医疗市场。通过这种转变，我们必须更多地依赖测量的准确性和电池寿命。设备通过单次电池充电运行的时间越长，用户就越容易采用它。

本文介绍了用于可穿戴健康设备的新一代产品，包括如何使您的系统更可靠、更节能的提示和技巧。

用于心率测量的PPG

说到我们的健康，我们身体中最重要的器官之一是心脏。它可以被视为我们人类系统的引擎。没有一颗表现良好的心脏，我们可能会面临严重的健康问题。因此，监测心脏功能是一个关键的优先事项。检查我们的心率有很多很好的理由，这些理由超出了每分钟的心跳次数。除此之外，我们可以从心脏的行为中检索到大量的附加信息，即频率与活动的函数。当身体要求更多的活动时，心率应该上升，为细胞带来更多营养和含氧的血液。持续的高心率不好，快速变化的心率也不好，这可能是心房颤动等心脏病的指标。

除了监测心率外，还有另一个参数称为心率变异性（HRV）。当人们放松时，他们的心脏不会以每分钟固定的跳动次数跳动，但您应该在心率周围经历轻微的变化，大约在每分钟 ±3 次的范围内。这种变化是放松的指标。在人们感到压力或受到惊吓反应的那一刻，体内的肾上腺素水平上升，心脏开始以非常单调的频率跳动。因此，参数 HRV 对于监控非常重要。

检索心脏信号的经典方法是使用心电图 （ECG） 进行生物电位测量;然而，这并不容易集成到可穿戴设备中。

除了生物电势之外，测量心率的趋势是利用光学原理。这项技术已经存在了相当长的一段时间，被称为光电容积描记图（PPG）。PPG技术主要用于测量血液中氧饱和度（SPO2）的系统。对于SPO2测量，您通过身体的特定部位（通常是手指或耳垂）发送两种波长的光，并测量氧合血红蛋白的百分比与血红蛋白总量的百分比。由于该技术还允许您测量心率，因此通常用于可穿戴系统，例如小型腕戴式设备，并且与生物电位测量不同，可以使用单个测量点来获取心率。ADI公司的ADPD174是一款光子系统，专为支持这些应用而设计。

反射与透射

由于我们大多数人都熟悉 SPO2 测量，这通常是用耳垂手指上的夹子进行的。光通过身体的一部分发送，在相反的位置，接收到的信号由光电二极管测量。使用这种传输技术，我们正在测量接收或未吸收的光量。就信号性能与功耗而言，这一原理是同类最佳的。然而，在舒适性是关键性的可穿戴系统中，透射式测量的集成并非易事，因此反射测量更常用。在反射光学系统中，光被发送到组织表面，其中一部分被红细胞吸收，剩余的光被反射回组织表面并通过光传感器测量。在反射系统中，接收信号弱了60 dB，因此我们需要更加关注电气和光学方面的发射和接收信号链。

电子和机械挑战

在心跳期间，血液的流动和体积正在发生变化，导致接收到的反射光量的散射。用于测量PPG信号的光的波长可能因许多因素而异，首先是测量类型。在本文中，我们将自己限制在心率及其变化的测量上。对于这种测量，所需的波长不仅取决于我们正在测量的身体上的位置，还取决于相对灌注水平、组织温度和组织的色调。一般来说，对于腕戴式设备，动脉不在手腕顶部，您需要从皮肤表面下方的静脉和毛细血管中拾取脉动成分。这些应用中的绿灯为我们提供了最佳的接收效果。在有足够血流量的地方，如上臂、太阳穴或耳道，红色或红外线会更有效，因为它会更深入地渗透到组织中——特别是对于电池电量和尺寸始终是一个问题的可穿戴应用，红色或红外 LED 带来了额外的优势，因为它们需要较低的正向电压。对于使用纽扣电池的应用，这些LED可以直接由电池电压驱动。

不幸的是，绿色LED需要更高的正向电压，这需要额外的升压转换器，因此它将对系统的整体电流消耗产生负面影响。图2显示了不同LED颜色所需的正向电压与电流的关系。如果仍然需要绿色LED，ADP2503降压/升压转换器有助于支持最高5.5 V的更高LED正向电压，输入电压可低至2.3 V。

图2.所需的 LED 正向电压与 LED 电流的关系。

在权衡传感器位置和LED颜色等因素时，下一步是选择最合适的光学解决方案。在模拟前端方面有很多选择，无论是分立构建的还是完全集成的，但也有多种光传感器和LED可供选择。为了最大限度地减少设计工作并缩短上市时间，ADI公司构建了一个完全集成的光学子系统，用于反射式光学测量。它被称为ADPD174，包含运行光学测量所需的一切。在图3中，您可以找到ADPD174子系统的框图。该模块的尺寸为6.5毫米×2.8毫米，这使得它对可穿戴系统极具吸引力。

图3.ADPD174光学子系统框图。

该模块围绕一个大光电二极管、两个绿色 LED 和一个红外 LED 构建。板载混合信号ASIC包括模拟信号处理模块、SAR型ADC、数字信号处理模块、I2C通讯接口，以及三个自由可编程的LED电流源。

该系统驱动 LED，并用其 1.2 mm 测量相应的光返回信号2光电二极管。使用可穿戴设备测量PPG的最大挑战是克服环境光和运动产生的伪影等干扰因素。环境光会对测量结果产生难以置信的影响。阳光并不难排斥，但特别是来自荧光灯和节能灯（包括交流组件）的光很难消除。ADPD174光学模块具有两级环境光抑制功能。在光传感器和输入放大器级之后，集成了一个带通滤波器，然后集成了一个同步解调器，为直流至100 kHz的环境光和干扰提供同类最佳的抑制。该ADC的分辨率为14位，脉冲值高达255个，可以将其相加以得到20位测量值。通过累积多个样本，可以实现高达27位的额外分辨率。

ADPD174在两个独立的时隙中工作，例如，测量两个独立的波长，并可以按顺序执行结果。在每个时隙中，执行完整的信号路径，从LED刺激开始，然后是光信号捕获和数据处理。

每个电流源能够以高达 250 mA 的电流驱动连接的 LED。对LED脉冲的创新控制使平均功耗保持在较低水平，并大大有助于节省功耗和延长系统的电池寿命。

这种LED驱动电路的优点是它是动态的，并且可以动态扩展。有许多因素会影响接收光信号的信噪比（SNR），例如肤色或传感器与皮肤之间的毛发，这些因素会影响接收侧的灵敏度。因此，可以非常容易地配置LED的激励，以构建自适应系统。所有定时和同步均由模拟前端处理，因此系统中的微处理器不需要开销。使用 ADPD174，您将能够在正常情况下以大约一毫瓦的功率水平运行可靠的心率监测器。为了找到这个工作点，我们可以在设置最大LED峰值电流的同时调整跨阻放大器（TIA）的增益。优化LED电流和TIA增益后，我们可以增加LED脉冲的数量以获得更多信号。请注意，增加LED峰值电流会成比例地增加SNR，而将脉冲数增加n倍，仅导致n（√n）根的SNR改善。

为您的心率设备找到最佳设置也在很大程度上取决于用户。用户的肤色会影响信号强度以及设备定位、温度和血流。为了计算功耗，光前端可以看作是两个独立的功率贡献者，IADPD和ILED。IADPD是输入放大器级、ADC和数字状态机消耗的电流。这些功率值在很大程度上取决于ADC的采样速率。LED电流ILED会随着人的肤色和传感器在身体上的位置而变化。对于较深的肤色，需要更多的LED电流，以及当血流量很少时，传感器在身体上的位置。平均LED电流随LED驱动脉冲宽度、脉冲数和ADC采样时间而变化。平均LED电流是最大LED电流乘以脉冲宽度和脉冲数。这可以看作是一个时隙，每次采集新样本时都会重复。脉冲宽度可以窄至1 μs。

为了在手腕上进行良好的心率测量，当使用两个宽度为 1 μs 的脉冲时，需要大约 125 mA 的 LED 峰值电流。考虑到100 Hz的采样频率，LED驱动的平均功耗为25 μA。当我们增加250 μA平均AFE电流时，光前端消耗275 μA （@ 3 V = 825 μW）。

其他机械挑战

我们讨论了环境光干扰是设计光学系统时的挑战之一。反射模式光学系统还有另一个需要克服的巨大挑战，称为内部光污染。在完美设计的系统中，来自LED的所有光都被发送到组织中，只有反射光被光传感器看到和测量。然而，在现实生活中，LED光可以被外壳的透明窗口反射并直接发送回光传感器，而不会穿透光路标记为绿色的组织（如图4所示）。

图4.内部光污染的解释。

这种ILP效应会导致直流偏移，并将限制信号的交流分量，也称为调制指数（MI）。事实上，MI是我们唯一感兴趣的信号。ILP 可以通过分离窗口来解决，但是，在批量生产中实施起来非常困难且成本高昂。ADPD174是这个问题的解决方案。它具有专门设计的外壳，可减少ILP行为，而无需分离外壳中的透明窗口。在图5中，ADPD174 ILP降低幅度与前代产品相比的改进与LED电流的函数关系。与市场上其他分立式或集成式器件相比，这是另一个优势。

图5.ADPD174 ILP 影响与其前身的比较。

系统总功率

在光学系统中，除了光干扰源外，还需要消除运动的干扰。运动会影响可穿戴系统的整体性能，因为由于运动，机械连接或与组织的接触可能会发生变化，从而导致光学读数错误。因此，测量设备的运动并补偿干扰源非常重要。ADI公司的超低功耗3轴ADxL362 MEM传感器完美支持这些需求。该传感器可测量所有三个轴，并具有集成的12位SAR ADC，LSB尺寸为1 mg，并且能够通过数字SPI接口进行通信。功耗与ADC采样速率成比例变化，在每轴100 Hz的数据输出速率下，传感器的功耗仅为1.8 μA。该器件采用3 mm×3 mm封装，但新一代产品正在开发中，使用的PCB面积仅为ADxL362的四分之一。

到目前为止，我们已经讨论了构建用于监测心率和心率变异性的可穿戴健康设备所需的各种传感器。仍然缺少的是系统的核心，将所有这些传感器连接在一起，运行所需的软件算法，并存储，可视化或传输结果。ADI公司的ADuCM3027/ADuCM3029 Cortex-M3处理器最近发布，能够满足这些需求。它是一款超低功耗、混合信号微控制器，每MHz处理功耗<38 μA。该处理器的最大时钟频率为 26 MHz，可在四种不同的电源模式下工作，参见表 1。®

 

ADuCM3027/29 电源模式

有效< 38 μA/MHz（所有模拟和数字工作）

灵活< 11.5 μA/MHz（模拟有源、内核时钟门控、MCU 下行）

休眠< 900 nA（RTC 运行，唤醒中断处于活动状态，SRAM 保留）

关断< 60 nA（深度睡眠中的模拟/数字，仅唤醒中断处于活动状态

 

 

混合信号前端包括一个12位SAR型ADC、基准电压缓冲器和温度传感器。板载有 128 kB 或 256 kB 板载闪存、4 kB 高速缓存和 64 kB SRAM。在保护设备内容不被未经授权的用户通过外部接口读取方面，已经花费了大量精力。这对设备制造商保护其代码和算法具有巨大的价值。最后，ADuCM302x可以采用1.8 V至3.6 V的单工作电压工作，内部1.2 V内核电压可由板载LDO或其更高效的开关电容降压转换器产生。

为了将测量结果无线上传到主机处理器，需要相当多的整体系统功率。预处理测量结果将有助于减少需要传输的数据量。这带来了额外的节能效果。

让您的健康设备自学

在前面的段落中，您已经了解到ADI非常关注传感器和混合信号解决方案，主要关注性能和低功耗。这些芯片和子系统使得为健康和运动和保健市场构建设备成为可能，这些设备可以使用单个纽扣电池运行很长时间。挑战始终是用尽可能低的耗散功率构建具有足够好性能的系统。自适应算法可以帮助提高整体性能，并找到系统功耗的最佳点。每次使用器件时，都可以对设置进行微小的更改，以达到最佳的SNR性能和相关的HRM精度。

审核编辑：郭婷