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淺談可穿戴設(shè)備PPG方案結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)

芯??萍汲闪⒂?003年9月,是一家集感知、計(jì)算、控制、連接于一體的全信號(hào)鏈集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)。專注于高精度ADC、高可靠性MCU、

 

芯??萍汲闪⒂?003年9月,是一家集感知、計(jì)算、控制、連接于一體的全信號(hào)鏈集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)。專注于高精度ADC、高可靠性MCU、測(cè)量算法以及AIoT一站式解決方案的研發(fā)設(shè)計(jì)。

隨著可穿戴設(shè)備逐漸從運(yùn)動(dòng)助手、娛樂工具的產(chǎn)品定位升級(jí)到健康伴侶,具備PPG(光電容積脈搏波描記法)測(cè)量心率(HR)、血氧飽和度(SpO2)及其他生物計(jì)量指標(biāo),也成為“剛需”功能。

因此,可穿戴設(shè)備面臨的挑戰(zhàn):如何在終端應(yīng)用整體方案的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出一款高精度、高可靠,甚至滿足臨床級(jí)的PPG測(cè)量方案?

此文將提供多種可穿戴設(shè)備的PPG測(cè)量方案設(shè)計(jì),滿足終端客戶的設(shè)計(jì)需求。

 

PPG的心率、血氧測(cè)量原理

通常來說,PPG測(cè)量方案由光發(fā)射器(發(fā)光二極管,LED)、光感應(yīng)器(光電二極管,PD)、模擬前端(AFE)芯片及加速計(jì)構(gòu)成。PPG檢測(cè)即通過光發(fā)射器將光波照進(jìn)皮膚內(nèi)部,再由光感應(yīng)器接收光強(qiáng)變化,最后通過模擬前端芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),進(jìn)而獲取PPG原始信號(hào)。其間,加速計(jì)可測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài),與光信號(hào)結(jié)合使用,可作為PPG算法輸入。在PPG檢測(cè)后期,可通過復(fù)雜的算法,處理來自模擬前端和加速計(jì)的原始信號(hào),從而生成持續(xù)的運(yùn)動(dòng)容錯(cuò)心率、血氧數(shù)據(jù)和其他生物計(jì)量數(shù)據(jù)。

PPG的心率檢測(cè)原理:利用人體的血液容積會(huì)隨著心臟律動(dòng)呈搏動(dòng)性變化,光感應(yīng)器接收的光強(qiáng)也隨之呈搏動(dòng)性變化。通過PPG模擬前端(AFE)芯片調(diào)節(jié),即可將光強(qiáng)變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),由此計(jì)算心率值。

PPG的血氧飽和度檢測(cè)原理:利用氧中血紅蛋白與脫氧血紅蛋白對(duì)紅光(660nm)和紅外光(940nm)的吸收光譜不同,測(cè)量氧和血紅蛋白的濃度,即可提供可連續(xù)的動(dòng)態(tài)血氧監(jiān)測(cè)PPG信號(hào)。


PPG光路結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)介紹

PPG檢測(cè)結(jié)果的精度與原始信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性密切相關(guān),而原始信號(hào)與PPG光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。因此,擁有高品質(zhì)的PPG光路結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì),是可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)高精度PPG檢測(cè)功能的基礎(chǔ)。

PPG光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要包括光學(xué)小板布局、光窗設(shè)計(jì)和相關(guān)結(jié)構(gòu)工藝選擇等。其中,PD與LED透光光窗的光路傳導(dǎo)路徑及結(jié)構(gòu)疊層(LED沿手臂方向擺放),如圖1所示:

圖1 可穿戴設(shè)備的PPG光路方向示意圖需要注意的是,為了保證靜息、運(yùn)動(dòng)不同狀態(tài)下的心率檢測(cè)結(jié)果,PPG光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要確保光學(xué)窗口與皮膚緊密貼合、盡量減少環(huán)境光干擾,以及盡量減少發(fā)射光未經(jīng)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)入PD。

 1   光學(xué)小板主要布局

通常來說,PPG光路布局中心(通常為凸臺(tái)中心)與可穿戴設(shè)備中心重合。用于測(cè)量心率的綠燈中心與PD中心間距(gd)建議3.8~4.5mm,推薦值3.8mm。用于測(cè)量血氧的紅燈及紅外燈中心與PD中心間距(rd)建議5.5~7.5mm,推薦值6.6mm。常見布局如下:十字形光路布局:光路布局中心位置對(duì)稱設(shè)計(jì)兩個(gè)三合一LED,PD均勻分布在四周,見圖2所示。

圖2 十字形光路(PD在四周)在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

T字形光路布局:光路布局中心位置附近放置PD,兩個(gè)綠燈LED沿表帶方向關(guān)于PD中心對(duì)稱分布,血氧LED燈設(shè)計(jì)在兩個(gè)綠燈LED中心的中垂線上,見圖3所示。

圖3 T字形光路(PD在四周)在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

一字形光路布局A:以PD中心和血氧燈光學(xué)中心的連線中心作為光路布局中心位置,沿表帶方向分別設(shè)置PD、綠燈、血氧LED燈,見圖4所示。

圖4 一字形光路(PD在邊上)在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

一字形光路布局B:以綠燈光學(xué)中心和血氧燈光學(xué)中心的連線中心作為光路布局中心位置,綠燈和血氧LED燈沿表帶方向設(shè)置,PD放在兩燈的中間位置,見圖5所示。 圖5 一字形光路(PD在中間)在產(chǎn)品應(yīng)用方向示意圖

 2   光窗設(shè)計(jì)方案

通常來說,光窗設(shè)計(jì)方案有兩種:雙色模光窗方案、絲印鏡片光窗方案。雙色模光窗方案設(shè)計(jì):雙色模光窗方案指采用雙色注塑工藝,將透明光窗部分與不透光殼體整體注塑成為一體,見圖6所示。圖6 雙色模光窗方案示意圖雙色模光窗方案更能減少竄光,結(jié)構(gòu)也更穩(wěn)定可靠,但模具成本相對(duì)更高。絲印鏡片光窗方案設(shè)計(jì):絲印鏡片光窗方案,指在殼體上面粘貼一片或多片鏡片,在鏡片底部把非透光區(qū)域絲印一層黑色油墨阻擋光的傳遞,而光穿過透光區(qū)域(光窗)則形成固定的光路。結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。圖7 絲印鏡片光窗方案示意圖因?yàn)楣獯安馁|(zhì)透明,為減少光線經(jīng)過LED光窗時(shí)直接傳導(dǎo)至PD光窗,LED光窗內(nèi)表面建議做增透處理(如菲涅爾紋)提升光效,PD光窗內(nèi)表面也可做菲涅爾紋聚光增透處理。

 

結(jié)語

即便有優(yōu)秀的PPG方案結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì),要想系統(tǒng)性能獲得最大發(fā)揮,仍有賴于高品質(zhì)的模擬前端芯片的配合。芯??萍糃S1262是一款專用于PPG信號(hào)采集的模擬前端(AFE)產(chǎn)品。該產(chǎn)品是第一款在技術(shù)上適配OpenHarmony生態(tài)的“健康測(cè)量”傳感器芯片。該產(chǎn)品基于OpenHarmony系統(tǒng)環(huán)境下,能夠?yàn)榻K端品牌產(chǎn)品提供全棧解決方案,可用于心率、血氧、血壓等健康指標(biāo)的采集與分析。當(dāng)前,CS1262產(chǎn)品實(shí)測(cè)的關(guān)鍵性能指標(biāo)達(dá)到業(yè)界一流水平,可與主流 AFE設(shè)計(jì)兼容,能夠?yàn)榭蛻籼峁└吲渲?、高精度測(cè)量、超強(qiáng)抗干擾、低功耗、全膚色支持、高可靠及易用性等七大核心價(jià)值。未來還將與公司的BIA、ECG等健康測(cè)量產(chǎn)品,共同構(gòu)建平臺(tái)型產(chǎn)品建設(shè)。

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