浅谈可穿戴设备PPG方案结构及工艺设计

随着可穿戴设备逐渐从运动助手、娱乐工具的产品定位升级到健康伴侣，具备PPG（光电容积脉搏波描记法）测量心率（HR)、血氧饱和度（SpO2）及其他生物计量指标，也成为“刚需”功能。

因此，可穿戴设备面临的挑战：如何在终端应用整体方案的基础上，设计出一款高精度、高可靠，甚至满足临床级的PPG测量方案？

此文将提供多种可穿戴设备的PPG测量方案设计，满足终端客户的设计需求。

PPG的心率、血氧测量原理

通常来说，PPG测量方案由光发射器（发光二极管，LED）、光感应器（光电二极管，PD）、模拟前端（AFE）芯片及加速计构成。 PPG检测即通过光发射器将光波照进皮肤内部，再由光感应器接收光强变化，最后通过模拟前端芯片将模拟信号转换成数字信号，进而获取PPG原始信号。其间，加速计可测量人体运动状态，与光信号结合使用，可作为PPG算法输入。 在PPG检测后期，可通过复杂的算法，处理来自模拟前端和加速计的原始信号，从而生成持续的运动容错心率、血氧数据和其他生物计量数据。

PPG的心率检测原理：利用人体的血液容积会随着心脏律动呈搏动性变化，光感应器接收的光强也随之呈搏动性变化。通过PPG模拟前端（AFE）芯片调节，即可将光强变化信号转换为电信号，由此计算心率值。

PPG的血氧饱和度检测原理：利用氧中血红蛋白与脱氧血红蛋白对红光（660nm）和红外光（940nm）的吸收光谱不同，测量氧和血红蛋白的浓度，即可提供可连续的动态血氧监测PPG信号。

PPG光路结构和工艺设计介绍

PPG检测结果的精度与原始信号的质量和稳定性密切相关，而原始信号与PPG光路结构设计密切相关。因此，拥有高品质的PPG光路结构和工艺设计，是可穿戴设备实现高精度PPG检测功能的基础。

PPG光路结构设计，主要包括光学小板布局、光窗设计和相关结构工艺选择等。其中，PD与LED透光光窗的光路传导路径及结构叠层（LED沿手臂方向摆放），如图1所示：

图1 可穿戴设备的PPG光路方向示意图

需要注意的是，为了保证静息、运动不同状态下的心率检测结果，PPG光路结构设计要确保光学窗口与皮肤紧密贴合、尽量减少环境光干扰，以及尽量减少发射光未经检测目标进入PD。

 1   光学小板主要布局

  通常来说，PPG光路布局中心（通常为凸台中心）与可穿戴设备中心重合。用于测量心率的绿灯中心与PD中心间距（gd）建议3.8～4.5mm，推荐值3.8mm。用于测量血氧的红灯及红外灯中心与PD中心间距（rd）建议5.5～7.5mm，推荐值6.6mm。常见布局如下： 十字形光路布局：光路布局中心位置对称设计两个三合一LED，PD均匀分布在四周，见图2所示。

图2 十字形光路（PD在四周）在产品应用方向示意图

T字形光路布局：光路布局中心位置附近放置PD，两个绿灯LED沿表带方向关于PD中心对称分布，血氧LED灯设计在两个绿灯LED中心的中垂线上，见图3所示。

图3 T字形光路（PD在四周）在产品应用方向示意图

一字形光路布局A：以PD中心和血氧灯光学中心的连线中心作为光路布局中心位置，沿表带方向分别设置PD、绿灯、血氧LED灯，见图4所示。

图4 一字形光路（PD在边上）在产品应用方向示意图

一字形光路布局B：以绿灯光学中心和血氧灯光学中心的连线中心作为光路布局中心位置，绿灯和血氧LED灯沿表带方向设置，PD放在两灯的中间位置，见图5所示。

 

图5 一字形光路（PD在中间）在产品应用方向示意图

 2   光窗设计方案

通常来说，光窗设计方案有两种：双色模光窗方案、丝印镜片光窗方案。 双色模光窗方案设计：双色模光窗方案指采用双色注塑工艺，将透明光窗部分与不透光壳体整体注塑成为一体，见图6所示。

图6 双色模光窗方案示意图

双色模光窗方案更能减少窜光，结构也更稳定可靠，但模具成本相对更高。 丝印镜片光窗方案设计：丝印镜片光窗方案，指在壳体上面粘贴一片或多片镜片，在镜片底部把非透光区域丝印一层黑色油墨阻挡光的传递，而光穿过透光区域（光窗）则形成固定的光路。结构示意图如图7所示。

图7 丝印镜片光窗方案示意图

因为光窗材质透明，为减少光线经过LED光窗时直接传导至PD光窗，LED光窗内表面建议做增透处理（如菲涅尔纹）提升光效，PD光窗内表面也可做菲涅尔纹聚光增透处理。

结语

即便有优秀的PPG方案结构和工艺设计，要想系统性能获得最大发挥，仍有赖于高品质的模拟前端芯片的配合。 芯海科技CS1262是一款专用于PPG信号采集的模拟前端（AFE）产品。该产品是第一款在技术上适配OpenHarmony生态的“健康测量”传感器芯片。该产品基于OpenHarmony系统环境下，能够为终端品牌产品提供全栈解决方案，可用于心率、血氧、血压等健康指标的采集与分析。 当前，CS1262产品实测的关键性能指标达到业界一流水平，可与主流 AFE设计兼容，能够为客户提供高配置、高精度测量、超强抗干扰、低功耗、全肤色支持、高可靠及易用性等七大核心价值。 未来还将与公司的BIA、ECG等健康测量产品，共同构建平台型产品建设。