自从十年前第一台计步器出现在市场以来,情况已有很大的改变。最初,其测量只着重于步伐数量的计算。经过十年来的研究结论是,大约每天行走1万步即可每日达到卡路里摄入量与卡路里燃烧量之间的良好平衡。同时,更多的功能和特点陆续续地被加入可穿戴设备中,如测量心率、心率变异性、体温和皮肤电导值等。

可穿戴设备最初原本是针对运动和健身的目的而出现,而今已逐渐转移至更偏向医疗的领域。随着这一趋势转变,我们将更加依赖于测量的准确度和电池的寿命。设备在每一次电池充电后所能持续运行的时间越长,就越容易得到消费者的接受。

本文将介绍专为穿戴式保健设备推出的新一代组件,并提供一些如何让产品系统更可靠和省电的设计技巧与提示。

心率测量PPG

当谈到有关于健康的话题时,无庸置疑地,身体最重要的器官之一就是心脏。它可以被视为人类系统的引擎,如果没有状况良好的心脏,我们就可能会面对严重的健康问题。因此,监测心脏功能是关键的优先要务。

有很多原因让我们必须检查心率以确保高于每分钟的心跳。此外,以活动作用频率的观点而言,从心脏的行为中可以得到大量的额外信息。当身体需要较多的活动时,心率就会上升以便为细胞带来更多的营养和血氧含量。但连续性的高心率并不是好事,而快速的心率变化也同样不好,因为它可能是心脏疾病的指标,如心房颤动(atrial fibrillation) 。

除了监测心跳的频率,还有另一项称为心率变异(HRV)的重要参数。当我们处于放松状态时,心脏并不会每分钟都以固定的节拍跳动,而应该可以观察到心率的微幅变化,其变动范围大约在每分钟±3次。这种变化是放松的一项指标。而当我们感到压力或产生惊讶的反应时,体内的肾上腺素上升,心脏开始以单一的频率跳动。因此,HRV参数是一项重要的监测指标。

取得心脏信号最常见的方法是透过生物电位测量与心电图(ECG);然而,要将此技术整合在可穿戴设备中并不容易。

除了生物电位,测量心率的一种新趋势是利用光学原理。这种技术已经存在一段时间了,通常被称为光体积变化描记图技术(Photoplethysmography;PPG)。PPG技术主要用于测量血氧浓度(SPO2)的系统中。在量测SPO2时,通常经由人体特定部位(通常是手指或耳垂)发送出两种波长的光线,藉此测量到氧合血红蛋白(oxygenated hemoglobin)量相对于血红蛋白(hemoglobin)总量的百分比值。由于这种技术还可以测量心率,因此通常被用在穿戴式系统中,例如小型的腕戴式设备。而且,不同于生物电位测量的是,这类技术可以只使用单一测试点来测量心率。例如ADI推出的ADPD174组件,就是一款专为这类应用而设计的光学子系统(图1)。 20161215 ADI TA31P1 图1:在单一6.5mm×2.8mm封装中的光学子系统——ADPD174,瞄准可穿戴医疗设备而设计

反射与传输

大多数人都很熟悉SPO2的测量,其方式通常是藉由夹在耳垂或手指夹上的设备来进行。光线会穿透过身体的一部份,而在另一端则透过光电二极管测量接收到的信号。利用此传送技术,我们可测量到可被接收或无法被吸收的光量。就信号性能与传送功耗量而言,这种原理是最好的。然而,对于讲求舒适性的可穿戴系统而言,传输测量的整合并非容易的事。因此,反射式量测相对上较普遍受到采用。在反射式光学系统中,光线被发送到组织的表面,其中一部份被红血细胞所吸收,剩余的光则被反射回组织表面,并由一个光传感器加以测量。在反射式系统中,接收信号相对较微弱达60dB,因此我们必须从电气和光学的角度,更小心仔细地观察发射和接收信号链。

电子和机械挑战

在一次心跳期间,血液的流动与血量持续发生变化,因而造成接收到的反射光量发生散射现象。用于测量PPG信号的光线,其波长会受到一些因素影响而有所改变——其中第一个因素就是测量的类型。在本文中,我们将仅局限于心率及其相关变化的测量。对于这类型的测量,所需采用的波长不只取决于所要量测的身体位置,同时也须考虑到相对灌注位准(relative perfusion level)、组织的温度以及组织的色调等。

一般来说,对于腕戴设备而言,由于动脉并不是位于手腕的上方,因此必需从皮肤表面下方的静脉和毛细血管来拾取脉动组成。在这类应用中,绿光能提供最好的接收。在我们身体上有足够血液流动的地方,如上臂、太阳穴或耳道等,红光或红外线效果较佳,因为它能深层穿透组织——尤其是对于电池功率和尺寸始终是一个重要课题的可穿戴应用来说,红光或IT LED可带来更多的优点,因为这些光源组件需要的顺向偏压较低,而在使用钮扣型电池的应用中,这些LED可以直接由电池电压来驱动。 20161215 ADI TA31P2 图2:各种LED所需的顺向偏压vs.LED电流

遗憾的是,绿光LED由于需要较高的顺向偏压,因而必须采用额外的升压转换器,但这对于系统的整体耗电流也带来负面的影响。图2显示不同色彩的LED相对于电流所需的顺向电压。如果终究还是需要使用绿光LED,ADP2503降压/升压转换器能在最低至2.3V的输入电压时,支持较高的LED顺向电压达5.5V(max)。

当我们权衡传感器位置与LED颜色等条件后,下一步就是要选择最适合的光学解决方案。以模拟前端来说,包括分离式建构或完全整合的多种选择,而光传感器与LED也同样有多种产品备选。为了将设计上的负担降到最低,并缩短开发上市时间,ADI提供一款完全整合的光学子系统模块,可供反射式光学量测使用。这款产品编号为ADPD174的模块,内含光学测量所需的所有功能。图3显示此子系统模块的功能方块图,此模块的尺寸大小仅6.5mm x2.8mm,因此对于穿戴式系统而言非常具有吸引力。

此模块是由一个大型光电二极管、两个绿色LED以及一个IR LED所组成。内建的混合信号ASIC中包含一组模拟信号处理功能模块、SAR类型ADC、数字信号处理功能模块、I2C通讯接口以及三个可自由编程设定的LED电流源。

此系统驱动LED发光,并使用1.2 mm2的光电二极管测量相对应的光回波信号。为可穿戴设备测量其PPG时,最大的挑战在于克服像环境光和运动产生的人为因素等干扰。环境光可能大幅影响测量的结果;而抑制阳光并不难,但来自日光灯和省电灯泡中包含交流(AC)成份的特殊光线,则很难加以取消。

ADPD174光模块具有两级的环境光抑制功能,也就是在光传感器和输入放大器阶段之后,整合带通滤波器及其随后的同步解调器,从而为环境光以及从直流(DC)到100 kHz的干扰提供同类产品中最佳的抑制表现。该ADC具有14位的分辨率和高达255个脉冲值,将其相加后可获得20位的测量结果。此外,还可藉由累加多个取样,以实现高达27位的额外分辨率。ADPD174作业于两个独立的时隙之间——例如,测量两个独立的波长,并顺序执行结果。在每个时隙期间,执行完整的信号路径,从LED刺激开始,接着是光信号撷取与数据处理。 20161215 ADI TA31P3 图3:ADPD174光学子系统的功能方块图

每个电流源能以高达250mA的电流驱动互连的LED,其创新的LED脉冲控制,则可维持较低的平均功耗,并显著地节省系统的功耗和延长电池寿命。

这种LED驱动电路的优点在于它是动态且可实时扩展。有许多因素可能影响接收光信号的信号噪声比(SNR),例如肤色或传感器与皮肤之间的毛发,都可能影响接收端的灵敏度。因此,LED的激发可以非常容易地配置,以实现自适应系统。所有的时序(timing)和同步都可由模拟前端进行处理,而无需占用系统中微处理器的处理资源。在正常情况下,采用ADPD174能以约1mW级功耗执行可靠的心率监测。为了找出此工作点,首先可以调整转阻放大器(TIA)的增益,同时设置最大LED峰值电流。在优化LED电流和TIA增益后,就可以增加LED脉冲的数量以获得更多的信号。值得注意的是,增加LED峰值电流,将会等比例地提高SNR;而将脉冲数量增加n倍,则仅有提高根号n (√n)倍SNR的效果。

要为心率设备找出最佳设定,很大程度上也取决于使用者本身。用户的肤色会对信号的强度以及设备的定位、温度和血流量产生影响。为了计算功耗,可将光学前端视为两个单独的功耗源,分别是IADPD和ILED。IADPD是输入放大器级、ADC和数字状态机的消耗电流。这些功耗数值非常依赖于ADC的取样率。LED电流ILED会随着使用者的肤色和传感器在身体上的位置而改变。对于较暗的肤色,以及传感器所在位置的血流量非常少时,就会需要较多的LED电流。LED平均电流会随着LED驱动脉冲宽度、脉冲数和ADC取样时间而变化。平均LED电流等于LED最大电流乘上脉冲宽度和脉冲数的结果。这可被视为一个时隙,而且在每次新取样时重复。脉冲宽度可能窄至1μs。

为了在手腕上有效进行心率测量,当使用两个具有1μs宽度的脉冲时,需要大约125mA的LED峰值电流。对于100 Hz的取样频率而言,平均LED驱动需要25μA。当我们增加250μA的平均AFE电流时,光学前端的功耗为275μA(@ 3V =825μW)。

其他机械上的挑战

前面我们已讨论了在设计光学系统时,挑战之一在于环境光干扰。但在反射式光学系统中,需要克服的另一个大挑战是内部光污染(IPL)。在一款完美设计的系统中,来自LED的所有光都会被发送到组织中,而且只有反射光可被光传感器侦测到并加以测量。然而在现实生活中,LED光线会被外壳的透明窗反射,并直接被送回光传感器,而不至于穿透至组织中,即图4中以绿色标示的光路。 20161215 ADI TA31P4 图4:内部光污染的说明

这种ILP效应会造成DC偏置,并将限制信号中的AC组成,也就是所谓的调变指数(MI)。但事实上,这一MI才是我们唯一感兴趣的信号。此ILP效应可以藉由隔离透明窗的方式加以解决,然而这在量产中是非常困难且成本高昂的。ADPD174是克服这一问题的解决方案之一。它具有特殊设计的外壳以减低ILP效应,而不需要在外壳上隔离透明窗。如图5所示,ADPD174较其前代产品受ILP效应影响程度的改善,可作为LED电流的基准。这是此组件较市场上其他分离式或整合式组件的另一个好处。 20161215 ADI TA31P5 图5:ADPD174与其前代产品受ILP影响的程度比较

系统总功耗

在光学系统中,除了光干扰因素之外,也必须消除运动的干扰。运动对于穿戴系统的整体性能具有影响,因为在运动时,机械连接或与组织的接触状态可能会改变,从而在光学读值上造成误差。因此,测量设备的运动并针对其干扰进行补偿至关重要。ADI的超低功耗三轴ADxL362 MEM传感器可完全支持这一需求。该传感器测量所有的三个轴,并拥有一个内建的12位SAR ADC,从而使其LSB的大小为1mg,并且能够透过数字SPI接口进行通讯。其功耗随ADC取样率而变化,当每轴的数据输出率为100 Hz时,传感器仅消耗1.8μA。此组件采用3 mm×3 mm封装,不过,目前正在开发中的新一代产品,其PCB占位面积将只有ADxL362的四分之一。

尚未谈到的系统核心!

截至目前为止,我们已经讨论打造监测心率和心率变化的穿戴式保健设备时,需要各种不同的传感器。但我们尚未触及到系统的核心,也就是将所有的传感器连接在一起、执行所需的算法软件,以及储存、可视化或传送这些测量结果。ADI最近发布的ADuCM3027 / ADuCM3029Cortex-M3处理器,就能够支持这些需求。它是一款超低功耗、混合信号型的微控制器,每MHz处理能力的相对功耗小于38μA。该处理器的最高频率频率为26MHz,并具有四种不同的功耗模式(表1)。 20161215 ADI TA31T1 表1:ADuCM3027/29的功耗模式

该混合信号前端包括一个12位的SAR ADC、参考缓冲器和温度传感器。该组件内建128 kB或256 kB的闪存、4 kB高速缓存和64 kB SRAM,并有妥善的措施保护设备的内容不会被未经授权的用户透过外部接口读取。对于保护其程序代码和算法的设备制造商来说,这可说是一项重要的价值。最后,ADuCM302x可作业于1.8V到3.6V之间的单电压范围,其中的核心电压为1.2V,可经由内建的LDO或其更高效能的开关电容式降压转换器来产生。

为了将测量结果无线上传到主处理器,必须耗费大量的总系统功耗。因此,对于测量结果进行预处理,将有助于减少所需传送的数据量,进而节省更多功耗。

让保健设备具有自学能力

从前面的讨论可看出,ADI专注于开发传感器和混合信号解决方案,并特别着重于提高性能和降低功耗。这些芯片和子系统能够打造针对保健、运动以及健身市场的设备,使其得以只靠单颗钮扣电池即达到很长的作业时间。打造一款能以最低功耗提供性能够好的系统,永远都是一大挑战。透过自适应算法,将有助于提高整体性能,并为系统功耗找到最佳均衡点。此外,在每次使用设备时,还可以透过微幅改变其设定,让所使用的功耗量达到最佳的SNR性能以及相关的HRM准确度。

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